WO2020127214A1 - Process for producing a porous fibre composite material, fibre composite material and use of said fibre composite material - Google Patents

Process for producing a porous fibre composite material, fibre composite material and use of said fibre composite material Download PDF

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WO2020127214A1
WO2020127214A1 PCT/EP2019/085580 EP2019085580W WO2020127214A1 WO 2020127214 A1 WO2020127214 A1 WO 2020127214A1 EP 2019085580 W EP2019085580 W EP 2019085580W WO 2020127214 A1 WO2020127214 A1 WO 2020127214A1
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WO
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fiber
approximately
polymer resin
composite material
fibers
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PCT/EP2019/085580
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Christian Zuber
Thomas Rothermel
Henning Elsäßer
Thomas Reimer
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Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
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    • C08J2363/00Characterised by the use of epoxy resins; Derivatives of epoxy resins

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a porous fiber composite material.
  • the invention further relates to a fiber composite material produced by a method according to the invention.
  • the invention further relates to the use of a fiber composite material according to the invention as a thermal protection material.
  • a composite material is known from DE 3613990 A1, which is produced by pressing multilayer thermosetting prepregs from reinforcing materials impregnated with thermosetting resin systems. One or more epoxy resin prepregs are pressed with one or more novolak prepregs.
  • DE 1 669 845 A discloses a process for producing preformed molding compositions from curable synthetic resins which are soluble in water and / or organic solvents, and also pulling and / or reinforcing materials and other customary additives such as lubricants and dyes.
  • the resin is mixed either in the form of a solution in a solvent or in powder form with the addition of a solvent with the usual additives, optionally also with formaldehyde-releasing compounds such as hexamethylenetetramine and with the fillers and / or reinforcing materials without substantial heat, after which so much Water is worked in until the mixture has become malleable. After that, the mixture is passed through a suitable one
  • US Pat. No. 5,658,360 A discloses a method for producing uncured cast abrasive articles which have a small proportion of volatile organic chemicals. Water is used as a temporary binder during production.
  • US 2013/0059974 A1 discloses a phenolic resin substance which comprises a phenolic resin of the novolak type, a phenolic resin of the resol type, hexamethyl-tetramine, graphite and fiber-containing filling materials.
  • the invention has for its object to provide a method with which a fiber composite material can be produced, in which the fiber spaces are filled with a low density material and which can be carried out with a simple structure.
  • Providing a fiber structure which is or will be infiltrated with a liquid mixture comprising a polymer resin, an organic solvent, in particular isopropanol, and a formaldehyde former;
  • the pore-structure polymer resin material preferably has one
  • the porous fiber composite material is preferably partially formed.
  • the formation (reaction) of the porous fiber composite material is particularly ended.
  • Porous in the sense of the invention means that the material characterized thereby (namely fiber-polymer resin material with pore structure and the fiber composite material) has a ratio of void volume to total volume of 20% or more, in particular 40% or more. The total volume is preferably indicated by the sum of the void volume and the clean volume of the solid.
  • the fibers in the fiber-polymer resin material with a pore structure and the porous fiber composite material are in particular non-porous.
  • a porosity can be determined according to a preferred characterization method by mercury porosimetry.
  • a non-wettable liquid for example mercury, penetrates into the pores of a material to be characterized under high pressure.
  • characterizing material is determined as a function of an external pressure by means of a porosimeter.
  • the porosimeter is a device used to measure the air permeability of the material to be characterized.
  • the porosity of the porous fiber composite material resulting from the process according to the invention is in a range from approx. 50% to approx. 60%, particularly preferably in a range from approx. 54% to approx. 57%.
  • the porous fiber composite material is preferably open-pored, with cavities of the material being connected to an environment.
  • the porous fiber composite material is preferably both mesoporous with pore sizes from 2 nm to 50 nm and macroporous with pore sizes greater than 50 nm.
  • the cavities in the porous fiber composite material are preferably randomly distributed and / or homogeneously distributed.
  • Liquid mixture is to be understood as a chemical mixture of at least the polymer resin, the organic solvent and the formaldehyde generator. At least so much organic solvent is contained that the liquid mixture is flowable.
  • the liquid mixture is homogeneous and is present as a solution of the polymer resin and the formaldehyde former in the organic solvent.
  • the liquid mixture is a dispersion, at least some of the polymer resin and / or the formaldehyde former floating in the organic solvent in finely divided form.
  • Mixture of infiltrated fiber structures preferably heated.
  • a chemical crosslinking reaction for example a polymerization reaction.
  • the fibers of the fiber structure preferably do not take part in the reaction.
  • a polycondensation reaction takes place.
  • Temporing in the sense of the invention is a heat application of the material to be tempered, wherein optionally an increased pressure can be applied externally to the material to be tempered or a vapor pressure builds up due to an implementation of the tempering in a pressure-tightly closed container. If the temperature rises or heat is applied, room temperature (20 ° C) is the preferred starting temperature.
  • a pressing, in which fibers can be damaged, is preferably unnecessary.
  • the annealing can preferably be carried out according to one of the following variants:
  • the water-infiltrated fiber-polymer material with pore structure in the pressure-tightly closed container is externally pressurized by an autoclave.
  • the water does not prevent the crosslinking reaction, but rather ensures a controlled course of the process due to its heat capacity.
  • the fluid-tight membrane prevents a volume reduction of the water-infiltrated fiber polymer resin material with a pore structure due to vaporization.
  • the organic solvent preferably does not participate in chemical reactions during curing. However, the organic solvent influences the chemical reaction in that it completely crosslinks the polymer resin during the curing of the liquid
  • the formaldehyde generator reacts to formaldehyde under suitable reaction conditions, preferably heating.
  • Mixture reduces the amount of reacting substances and during curing a material with reduced density is created compared to a curing process with little or no solvent.
  • a fiber-polymer resin material with a pore structure can be formed during curing, which also has a reduced density compared to a solid material.
  • the porous fiber composite material is a fiber material, a mesh-like structure comprising coherent particles of different sizes made of chemically crosslinked polymer resin being present in the spaces formed between the fibers.
  • the particles preferably have an irregular shape at the micrometer level.
  • the energy released during the tempering in particular crosslinking energy, is absorbed by the water in the form of heat.
  • the high thermal capacity of the water is used in particular.
  • water does not hinder a chemical crosslinking reaction of the polymer resin, which occurs during the annealing, compared to other solvents.
  • Crosslinking energy can arise in exothermic crosslinking reactions.
  • the fiber structure can be provided in the form of a felt, in particular a carbon felt, in the form of ceramic felt layers, or as a fleece.
  • a textile fiber structure for example in the form of a braid, a knitted fabric or a fabric, is provided.
  • the fibers of the fiber structure are preferably carbon fibers. Alternatively, one of the following fibers or mixtures thereof or
  • carbon fibers polymer fibers, glass fibers, ceramic fibers, natural fibers.
  • the fibers can be used as long fibers or short fibers.
  • Preferred polymer fibers are phenolic resin fibers.
  • a fiber structure is provided in the form of one or more layers, which are produced, for example, by a wet nonwoven process.
  • the fiber structure comprises, comprises or is formed from a mixture of short fibers and comminuted fibers, for example into one or more wet nonwovens.
  • the comminuted fibers are preferably ground fibers.
  • the short fibers preferably have an average length of approximately 6 mm to approximately 10 mm.
  • An average length of the comminuted fibers is preferably in a range from approximately 0.25 mm to approximately 0.35 mm, for example approximately 0.3 mm.
  • the fiber structure comprises or is formed from phenolic resin fibers and a binder.
  • a preferred binder is polyvinyl alcohol fibers.
  • the phenolic resin fibers are preferably cross-linked phenol-aldehyde fibers, which are produced in particular by acid-catalyzed cross-linking of melt-spun novolak resin.
  • the phenolic resin fibers preferably have a fully cross-linked three-dimensional amorphous structure.
  • the phenolic resin fibers consist of approx. 76% by weight
  • Phenolic resin fibers which are available under the product name "Kynol® Novoloid fibers” from the company Kynol Europa GmbH, have proven to be particularly favorable.
  • a porous fiber composite material is preferably temperature stable up to 300 ° C.
  • the resulting fiber composite material preferably has a thermal conductivity reduced by a factor of 5 or more, in particular by a factor of 6 or more, compared to a fiber composite material in which instead of the phenolic resin fibers
  • Carbon fibers were used.
  • the direction of thickness is preferably defined perpendicular to an outer surface of the fiber composite material.
  • the thermal conductivity of the fiber composite material with phenolic resin fibers in the thickness direction is 0.0423 W / (m-K).
  • a thermal conductivity of the fiber composite material with carbon fibers in the thickness direction is preferably 0.256 W / (mK).
  • the phenolic resin fibers When exposed to heat, for example from temperatures such as those prevailing when the earth re-enters, the phenolic resin fibers preferably pyrolyze to carbon fibers and / or are converted to carbon fibers.
  • the thermal protection effect can be optimized in this way, in particular since energy is converted as soon as the phenolic resin fibers are converted to carbon fibers.
  • the pyrolysis of the phenolic resin fibers preferably takes place at temperatures from approximately 400 ° C. to approximately 3000 ° C.
  • the conversion of the phenolic resin fibers to carbon fibers is preferably an endothermic decomposition.
  • the carbon fibers resulting from the reaction of the phenolic resin fibers are, for example, porous carbon fibers.
  • the resulting fiber composite material is in particular comparable to a fiber composite material which was produced using a fiber structure made of carbon fibers.
  • a char layer which, for example, with a heat flow density of approx.
  • Fiber composite material is preferably comparatively thin.
  • a ratio of a total thickness of the fiber composite material (virgin material) and a thickness of the char layer is preferably 4: 1 or more, in particular 4.5: 1 or more.
  • the ratio of the thickness of the fiber composite material overall (virgin material) and the thickness of the char layer is 5: 1 or less, in particular 4.6: 1 or less.
  • the porous fiber composite material in the non-pyrolyzed state up to 300 ° C. and / or in the pyrolyzed state can be processed in particular by means of mechanical methods. Mechanical methods include sawing, cutting, turning and / or drilling.
  • a fiber structure as is conventionally used for the production of fiber composite materials, is preferably used.
  • materials in the form of a fiber structure can also be used, which are conventionally used as insulation material for high-temperature furnaces or in other high-temperature applications.
  • Fiber structures comprising short fibers can also be used with preference.
  • a fiber structure is provided and this is infiltrated with the liquid mixture comprising a polymer resin, an organic solvent and a formaldehyde former.
  • pre-impregnated fiber structures so-called “prepregs”
  • pre-impregnated fiber structures are already impregnated with a polymer resin.
  • an organic solvent and the formaldehyde former are added to these pre-impregnated fibers.
  • the polymer resin is then at least partially dissolved in the organic solvent, for example in isopropanol.
  • a density of the porous fiber composite material is preferably in a range from approximately 0.35 g / cm 3 to approximately 0.45 g / cm 3 , in particular approximately 0.4 g / cm 3 .
  • the porous fiber composite material preferably has an airgel-like structure in the intermediate spaces between the fibers.
  • the porous fiber composite material is preferably suitable as a flame-retardant structure, for example as a thermal protection material for re-entry of missiles into the earth's atmosphere.
  • blocks made of the porous fiber composite material can, for example, be glued to an area to be protected.
  • the pore structure which is retained in particular from its formation in the fiber-polymer resin material with a pore structure, of the fiber composite material with a low density, even at high temperatures, such as, for example, from over 3000 ° C., for example from over 10,000 ° C., upon reentry into the earth's atmosphere, first the surface of a component made of the porous fiber composite material is heated, before further areas inside are heated. Pyrolysis takes place. The porous fiber composite material in the pyrolyzed state or pyrolysis state can then melt, sublimate or oxidize.
  • Conditions can be emitted into an interface between an ablator surface and a shock front and reduce a radiative energy input into the thermal protection material at the interface.
  • the porous fiber composite material can also be used as other fire protection material. Due to its low thermal conductivity, it is also generally suitable as an insulation material.
  • the polymer resin is preferably initially incompletely crosslinked.
  • the fiber-polymer resin material with a pore structure has - in particular - despite an incomplete chemical crosslinking reaction - sufficient mechanical strength so that it can be handled in the further process.
  • the chemical crosslinking reaction is preferably a polymerization reaction, in particular a polycondensation.
  • the fiber composite material can also be used as a core material for a sandwich structure for certain applications.
  • the sandwich structure preferably comprises a first layer element, a second layer element and an intermediate core element made of the core material.
  • the formaldehyde generator preferably comprises urotropin or is urotropin.
  • Urotropin - also known as hexamethylenetetramine - as a formaldehyde generator is less dangerous for human and / or animal organisms than most other available alternative formaldehyde generators and / or formaldehyde and is therefore easier to handle.
  • the curing is preferably carried out by heating the liquid mixture in a pressure-tightly closed die and / or heating the liquid mixture with external pressure being applied to the liquid mixture, in particular in an autoclave.
  • the liquid mixture in the pressure-tight closed die is preferably heated in an oven.
  • the resulting steam remains in the die. This builds up a vapor pressure. The vapor pressure prevents boiling and / or excessive evaporation of the polymer resin, the organic solvent and in particular the formaldehyde generator.
  • walls of the pressure-tight closed die are preferably solid.
  • a container is closed, in particular with a fluid-tight and / or flexible membrane, and pressure is applied to the liquid mixture in the autoclave.
  • the pressurization preferably prevents the polymer resin and the organic solvent - and in particular the formaldehyde former - from boiling. Evaporation of the organic solvent or other components of the liquid mixture is in particular additionally prevented by the fluid-tight and / or flexible membrane.
  • the method offers the advantage that a size or shape of the porous fiber composite material is only given by the size of the die or autoclave and the size and shape is otherwise freely scalable or selectable.
  • the curing is preferably carried out at a temperature of approximately 120 ° C. to approximately 160 ° C., in particular at a temperature of approximately 140 ° C. to approximately 150 ° C., for example at a temperature of approximately 145 ° C.
  • the reaction times - depending on the size and shape of the fiber structure - may vary.
  • chemical crosslinking preferably takes place at least partially in a controlled manner.
  • curing can also be carried out at a temperature of approximately 225 ° C. without complete crosslinking taking place.
  • the 4 h mentioned have proven, for example, for a fiber structure with dimensions of 170 mm x 170 mm x 50 mm to be a particularly suitable curing time for the liquid mixture.
  • the curing is preferably carried out under a pressure of approximately 10 bar to approximately 20 bar, preferably approximately 15 bar.
  • the increased pressure ensures that no organic solvent can escape.
  • the increased pressure also has the advantage that a rate constant of the chemical crosslinking reaction is greater than at room pressure. The crosslinking is therefore faster, in particular by a factor of approximately 4 or more, than with curing under room pressure.
  • the curing is preferably carried out in a closed, pressure-resistant die. External mechanical pressure is preferably applied. In particular, the vapor pressure of the organic solvent results in faster crosslinking. A membrane is preferably formed which minimizes or prevents the organic solvent from escaping.
  • Pressure for example in an autoclave, prevents the organic solvent from boiling.
  • a proportion of formaldehyde generator is preferably in a range from approximately 0.4% by weight to approximately 10.0% by weight, preferably approximately 0.5% by weight to approximately 1.5% by weight. , in particular from approximately 0.8% by weight to approximately 1.2% by weight, based on a mass of the polymer resin used.
  • the polymer resin and the organic solvent are present in the liquid mixture, in particular before the addition of the formaldehyde former, in a ratio of the mass of the polymer resin to the mass of the organic solvent of approximately 2 to 3 to approximately 3 to 2 .
  • the polymer resin and the organic solvent are mixed in a mass ratio of about 1 to 1.
  • a proportion of the polymer resin is sufficient for a chemical crosslinking reaction to take place during curing.
  • the proportion of solvent is preferably high enough to produce a structure with a lower density compared to cured, undiluted polymer resin.
  • a crosslinking reaction of the polymer resin occurs in particular due to the formaldehyde former.
  • the polymer resin is preferably a phenolic resin or an epoxy resin.
  • a phenolic resin has the advantage that during pyrolysis residual carbon is formed and / or it is particularly suitable as a burning material.
  • the organic solvent is removed with water before infiltrating the pore-structure fiber polymer resin material.
  • the organic solvent is removed by heating the fiber polymer resin material having a pore structure, particularly at a temperature ranging from 95% to 105% of the boiling point of the organic solvent.
  • the isopropanol is removed, for example, at about 80 ° C.
  • the fiber-polymer resin material with pore structure, which still contains isopropanol is preferably stored at about 80 ° C. until a constant mass is set in a tempering furnace.
  • a reaction to form a porous network preferably takes place completely or until the reaction is terminated, wherein structures of the porous network have an average diameter of approximately 500 nm or less, preferably approximately 300 nm or less, in particular approximately 150 nm or less.
  • the reaction to form the porous network particularly a polymerization reaction, begins during the curing of the liquid mixture.
  • Structures of the porous network preferably form at approximately 145 ° C.
  • the mean diameter is preferably given as an arithmetic mean. However, it can also be provided that the mean diameter is related to the median of the diameter distribution.
  • the diameter refers in particular to the shortest connection between two surfaces.
  • the water is preferably evaporated by heating in a range from approximately 80 ° C. to approximately 100 ° C., preferably approximately 90 ° C.
  • the material is stored, for example, at approximately 5 mbar in a desiccator or in another container that is subjected to a vacuum.
  • the water can be steamed off in an oven, for example, even at normal pressure.
  • the invention further relates to a fiber composite material produced by a method according to the invention.
  • the fiber composite material comprises phenolic resin fibers, which can be converted and / or converted into carbon fibers, in particular when exposed to heat while maintaining a fiber structure.
  • the phenolic resin fibers pyrolyze at temperatures in a range from about 400 ° C to about 3000 ° C (exposure to heat).
  • the effect of heat is preferably understood to mean that the fiber composite material is exposed to temperatures of 400 ° C. or more, in particular approximately 900 ° C. or more, for example approximately 1500 ° C. or more, for example under an inert gas atmosphere.
  • An inert gas atmosphere is used to simulate conditions that exist when the earth re-enters the atmosphere.
  • the fiber composite material is particularly exposed to high temperatures as thermal protection material when it re-enters the earth's atmosphere.
  • the invention further relates to the use of a fiber composite material according to the invention as a thermal protection material.
  • Fig. 1 is a flowchart of a method for producing a porous
  • Fig. 2 is a schematic illustration of a die for curing a fiber structure infiltrated with a liquid mixture for use in the method described in Fig. 1;
  • Figure 3 is a schematic representation of an autoclave for curing a fiber structure infiltrated with a liquid mixture for use in the method described in Figure 1;
  • FIG. 4 shows an electron micrograph of a porous fiber composite material produced using the method from FIG. 1;
  • FIG. 5 shows a further electron micrograph of a porous fiber composite material, produced using the method from FIG. 1;
  • FIG. 6 shows a further electron micrograph of a porous fiber composite material, produced using the method from FIG. 1.
  • a flow diagram of a method for producing a porous fiber composite material 100 is shown schematically in FIG. 1.
  • a fiber structure 102 is provided.
  • a carbon fiber structure 103 comprising carbon fibers, which form a felt or a nonwoven or some other textile fabric, is used for this purpose.
  • other forms of a textile fiber structure 102 can also be used.
  • the fiber structure 102 is a braid, a woven fabric, a knitted fabric or a woven fabric.
  • a fiber structure 102 made of glass fibers, polymer fibers, ceramic fibers, natural fibers or mixtures thereof or mixtures of one or more of the fibers mentioned with carbon fibers can also be provided.
  • Preferred polymer fibers are phenolic resin fibers.
  • the phenolic resin fibers are preferably based on novolak (based on phenolic resin), which is melt-spun and then catalyzed by an acid
  • a preferred chemical composition of the phenolic resin fibers is: approx.
  • Phenolic resin fibers with the product name "Kynol® Novoloid fibers” from the company Kynol Europa GmbH have proven to be particularly suitable.
  • the fiber structure 102 is preferably produced by means of a wet fleece process.
  • wet nonwovens are produced from a mixture of short phenolic resin fibers, in particular with an average length in a range of about 6 mm and about 10 mm, and ground phenolic resin fibers with an average length of about 0.3 mm and polyvinyl alcohol fibers as binders.
  • the binder melts during a drying process to produce the fiber structure 102.
  • the fiber structure 102 is infiltrated with a liquid mixture 104 (infiltrating 106).
  • the mixture 104 comprises a polymer resin 108 in the form of a phenolic resin 110, an organic solvent 112 in the form of isopropanol 114 and a formaldehyde former 116 in the form of urotropin 118.
  • the organic solvent 112 serves to dilute the polymer resin 108.
  • Isopropanol 114 has the advantage that the phenolic resin 110 and urotropin 118 are readily soluble in it and, due to its comparatively low boiling point of 82.6 ° C and high vapor pressure of 42.6 hPa, it is easy to evaporate at 20 ° C. Evaporation will be carried out in more detail later.
  • the liquid mixture 104 is prepared before infiltrating 106.
  • phenolic resin 110 and isopropanol 114 are mixed in a mass ratio of 1: 1.
  • About 1% by weight of urotropin 118 are added to this mixture, based on a mass of the phenolic resin 110 used.
  • the urotropin 118 is ground before the addition, whereby a faster dissolution of the urotropin 118 in the isopropanol 114 can be achieved.
  • the fiber structure 102 is placed in a container 120 (cf.
  • an infiltration time is, for example, approximately 2 hours.
  • the liquid mixture 104 is cured to form a fiber-polymer resin material having a pore structure 124 (curing 122).
  • Hardening 122 is carried out in an autoclave 126 (see FIG. 3) or in a pressure-tightly closed die 128 (FIG. 2). However, it can also be provided that the liquid mixture 102 in the pressure-tightly closed die 128 is externally pressurized in an autoclave 126.
  • the times specified in connection with the method can vary depending on the size and shape of the fiber structure 102.
  • the die 128 When hardening 122 in the pressure-tightly closed die 128 (cf. FIG. 2), the die 128 is heated in a tempering furnace for approximately 16 hours or more at approximately 145 ° C. After the die 128 has cooled completely, the fiber-polymer resin material 124 formed therein is removed from the mold.
  • the resulting steam cannot escape from the pressure-tight closed die 128 and a vapor pressure builds up.
  • the vapor pressure minimizes boiling of the polymer resin 110 and the organic solvent 112. A volume of the organic solvent 112 is kept substantially constant.
  • the pressure-tightly closed die 128 is of solid design in order to be able to withstand an internal pressure arising during the hardening 122 of the liquid mixture 104 in the pressure-tightly closed die 128 without bursting.
  • a sealed container 120 is introduced into an autoclave 126, a membrane 130 being used here in the present case for the fluid-tight sealing of the fiber structure 102 infiltrated with the liquid mixture 104. This prevents the organic solvent 112 from evaporating during the curing 122 of the liquid mixture 104.
  • a pressure of approx. 15 bar is built up in the autoclave 126 and then, in particular at a maximum heating rate (within approx. 30 min), heated to a temperature of approx. 145 ° C.
  • the set temperature and the set pressure are kept constant for a curing time, for example for about 4 hours or more.
  • the autoclave 126 is then cooled to approx. 25 ° C.
  • the pressure in the autoclave 126 is kept at approx. 15 bar until it is completely cooled to room temperature (approx. 20 ° C). After cooling to room temperature, the pressure of approx. 15 bar is released and the resulting fiber-polymer resin material with pore structure 124 is removed from the mold.
  • the fiber polymer resin material containing pore structure 124 which after curing 122 still contains isopropanol 114, is stored in an annealing oven at approx. 80 ° C. until a constant mass has been established and / or the isopropanol 114 has been completely evaporated .
  • the fiber polymer resin material with pore structure 124 is then infiltrated with water 134 (infiltrate 136).
  • the fiber polymer resin material with pore structure 124 is stored in a container, in the present case a desiccator 135, for, for example, approximately 60 minutes or more at approximately 5 mbar.
  • the desiccator 135 is flooded with water to infiltrate (136).
  • the fiber-polymer resin material with pore structure 124 is stored for approx. 100 min or more under water 134 at a pressure of approx. 5 mbar in the desiccator 135.
  • the fiber polymer resin material with pore structure 124 is stored, for example, for a further 150 minutes or more under water 134 before the fiber polymer resin material with pore structure 124 is removed from the desiccator 135 and placed in a water-filled container.
  • the water-filled container is closed for a tempering step (tempering 138) and positioned in an autoclave 126.
  • a pressure of approx. 15 bar is built up and the autoclave 126 is heated to approx. 160 ° C. after the pressure has been reached, in particular at the maximum heating rate.
  • the set temperature and the set pressure will, for example, last for about 6 hours or more.
  • the autoclave 126 is then cooled to about 25 ° C. (for example in about 20 minutes).
  • the pressure is kept at about 15 bar until it has completely cooled to room temperature.
  • the tempering 138 can alternatively also be carried out in a pressure-resistant die 128 which is filled with water in an oven without external pressure.
  • the fiber composite material 100 is dried at about 90 ° C. in an annealing oven.
  • the evaporation 140 is carried out until the porous fiber composite material 100 has a constant mass.
  • the fiber composite material is suitable for use as a thermal protection material.
  • Ratios of phenolic resin 110, isopropanol 114 and urotropin 118 are given below by way of example.
  • the proportions listed above are given in the table as example 1.
  • the proportions of Examples 1 to 5 are suitable in connection with the process described above.
  • the various proportions in the table above are each in% by weight.
  • the proportion of phenolic resin 110 and the proportion of isopropanol 114 each relate to a total mass of phenolic resin 110 and isopropanol 114.
  • the proportion of urotropin 118 relates to the mass of the phenolic resin 110 used.
  • a porous fiber composite material 100 produced by the method described in connection with FIG. 1 can be seen in particular in the electron micrographs shown in FIGS. 4 to 6.
  • the recordings were made with a scanning electron microscope using a secondary electron detector.
  • magnification of 5,000 was chosen for the electron micrograph in FIG. 4.
  • magnification is 10,000 and in the electron microscope in Fig. 6, the magnification is 50,000.
  • the fibrous structure 102 comprises or is formed from phenolic resin fibers
  • the phenolic resin fibers are under Exposure to heat, especially in a range from about 400 ° C to about 3000 ° C, converted to carbon fibers.
  • a porous fiber composite material 100 is formed, which comprises carbon fibers.
  • the phenolic resin fibers are converted into porous carbon fibers.
  • a fiber structure and / or overall structure of the fiber composite material is retained.
  • heat occurs when it re-enters the earth's atmosphere.
  • bundle material 100 which comprises phenolic resin fibers, formed a comparatively thin char layer on the surface.
  • a ratio of a total thickness of the fiber composite material 100 (virgin material) and a thickness of the char layer is 4: 1 or more, in particular 4.5: 1 or more.
  • the ratio of the thickness of the fiber composite material 100 as a whole (virgin material) and the thickness of the char layer is 5: 1 or less, in particular 4.6: 1 or less.
  • the porous fiber composite material 100 with phenolic resin fibers preferably has a reduced thermal conductivity in a thickness direction by a factor of 5 or more, in particular by a factor of 6 or more, compared to a fiber composite material 100 with carbon fibers instead of the phenolic resin fibers. This is an optimized one
  • the thickness direction is preferably defined perpendicular to an outer surface of the fiber composite material 100.
  • a thermal conductivity of the fiber composite material 100 with phenolic resin fibers in the thickness direction is 0.0423 W / (m-K).
  • a thermal conductivity of the fiber composite material 100 with carbon fibers in the thickness direction is preferably 0.256 W / (m-K).
  • the conversion of the phenolic resin fibers to carbon fibers when exposed to heat preferably results in an energy conversion which, in particular, can intensify a heat protection effect of the fiber composite material 100 as a whole.
  • structures 150 made of the hardened phenolic resin 110 are network-like with gaps between them. Carbon fibers 152 are embedded therein.
  • the cured phenolic resin 110 preferably has a cross-linked sponge-like structure.
  • the structures 150 of the porous fiber composite material 100 have a diameter of 0.1 ⁇ m or less.
  • the structures 150 are disordered and spaces between them are cave-like structures. There are no ordered channels.

Abstract

The invention proposes a process for the production of a porous fibre composite material (100), which process comprises: preparing a fibre structure (102) that has been or is infiltrated with a liquid mixture comprising a polymer resin (108), an organic solvent (112), in particular isopropanol (114), and a formaldehyde former (116); curing (122) the liquid mixture (104) to form a fibre-polymer resin material having a pore structure (124); infiltrating (106) the fibre-polymer resin material having a pore structure (124) with water (134); and annealing (138) the fibre-polymer resin material having a pore structure (124) which is infiltrated with water (134).

Description

Verfahren zur Herstellung eines porösen Faserverbundmaterials, Faserverbundmaterial und Verwendung eines Faserverbundmaterials Process for producing a porous fiber composite material, fiber composite material and use of a fiber composite material
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Faserverbundmaterials. The present invention relates to a method for producing a porous fiber composite material.
Die Erfindung betrifft ferner ein Faserverbundmaterial, hergestellt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren. The invention further relates to a fiber composite material produced by a method according to the invention.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines erfindungsgemäßen Faser verbundmaterials als Thermalschutzmaterial. The invention further relates to the use of a fiber composite material according to the invention as a thermal protection material.
Aus der DE 3613990 Al ist ein Verbundwerkstoff bekannt, welcher durch Verpressen mehrlagiger duroplastischer Prepregs aus mit duroplastischen Harzsystemen imprägnierten Verstärkungsmaterialien hergestellt ist. Es sind ein oder mehrere Epoxidharzprepregs mit einem oder mehreren Novolakpre- pregs verpresst. A composite material is known from DE 3613990 A1, which is produced by pressing multilayer thermosetting prepregs from reinforcing materials impregnated with thermosetting resin systems. One or more epoxy resin prepregs are pressed with one or more novolak prepregs.
Die DE 1 669 845 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung vorgeformter Formmassen aus härtbaren, in Wasser und/oder organischen Lösungsmitteln löslichen Kunstharzen sowie Pull- und/oder Verstärkungsstoffen und sonst üblichen Zusätzen wie Gleitmittel und Farbstoffe. Das Harz wird entweder in Form einer Lösung in einem Lösungsmittel oder in Pulverform unter Zusatz eines Lösungsmittels mit den sonst üblichen Zusätzen, gegebenenfalls auch mit Formaldehyd abspaltenden Verbindungen wie Hexamethylentetramin und mit den Füll- und/oder Verstärkungsstoffen ohne wesentliche Wärmezufuhr intensiv gemischt, wonach so viel Wasser eingearbeitet wird bis das Gemisch formbar geworden ist. Danach wird das Gemisch durch eine geeignete DE 1 669 845 A discloses a process for producing preformed molding compositions from curable synthetic resins which are soluble in water and / or organic solvents, and also pulling and / or reinforcing materials and other customary additives such as lubricants and dyes. The resin is mixed either in the form of a solution in a solvent or in powder form with the addition of a solvent with the usual additives, optionally also with formaldehyde-releasing compounds such as hexamethylenetetramine and with the fillers and / or reinforcing materials without substantial heat, after which so much Water is worked in until the mixture has become malleable. After that, the mixture is passed through a suitable one
Vorrichtung vorgeformt und dann durch Trocknung auf den gewünschten Fließgrad gebracht. Aus der US 5,658, 360 A ist ein Verfahren zur Herstellung ungehärteter gegossener Abrasivartikel bekannt, welche einen geringen Anteil flüchtiger organischer Chemikalien aufweisen. Bei der Herstellung wird Wasser als temporäres Bindemittel verwendet. Device preformed and then brought to the desired degree of flow by drying. US Pat. No. 5,658,360 A discloses a method for producing uncured cast abrasive articles which have a small proportion of volatile organic chemicals. Water is used as a temporary binder during production.
Die US 2013/0059974 Al offenbart eine Phenolharzsubstanz, welche ein Phenolharz des Novolak-Typs, ein Phenolharz des Resol-Typs, Hexamethyl- tetramin, Graphit und faserhaltige Füllmaterialien umfasst. US 2013/0059974 A1 discloses a phenolic resin substance which comprises a phenolic resin of the novolak type, a phenolic resin of the resol type, hexamethyl-tetramine, graphite and fiber-containing filling materials.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem ein Faserverbundmaterial hergestellt werden kann, bei dem Faser zwischenräume mit einem Material geringer Dichte gefüllt sind und welches mit einem einfachen Aufbau durchgeführt werden kann. The invention has for its object to provide a method with which a fiber composite material can be produced, in which the fiber spaces are filled with a low density material and which can be carried out with a simple structure.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Faser verbundmaterials gelöst, wobei das Verfahren umfasst: This object is achieved by a method for producing a porous fiber composite material, the method comprising:
Bereitstellen eines Fasergebildes, welches mit einem flüssigen Gemisch, umfassend ein Polymerharz, ein organisches Lösungsmittel, insbesondere Isopropanol, und einen Formaldehydbildner, infiltriert ist oder wird; Providing a fiber structure which is or will be infiltrated with a liquid mixture comprising a polymer resin, an organic solvent, in particular isopropanol, and a formaldehyde former;
Aushärten des flüssigen Gemischs unter Ausbildung eines Faser- Polymerharzmaterials mit Porenstruktur; Curing the liquid mixture to form a fiber-polymer resin material with a pore structure;
Infiltrieren des Faser-Polymerharzmaterials mit Porenstruktur mit Wasser; und Infiltrating the pore-structure fiber polymer resin material with water; and
Tempern des mit Wasser infiltrierten Faser-Polymerharzmaterials mit Porenstruktur. Annealing the water-infiltrated fiber polymer resin material with a pore structure.
Das Polymerharzmaterial mit Porenstruktur weist vorzugsweise eine The pore-structure polymer resin material preferably has one
schwammartige Netzstruktur auf. spongy network structure.
Während des Aushärtens des flüssigen Gemischs unter Ausbildung des Faser- Polymerharzmaterials mit Porenstruktur bildet sich vorzugsweise teilweise das poröse Faserverbundmaterial. Während des Temperns des mit Wasser infil- trierten Faser-Polymerharzmaterials mit Porenstruktur wird die Bildung(-sreaktion) des porösen Faserverbundmaterials insbesondere beendet. During the hardening of the liquid mixture with formation of the fiber-polymer resin material with a pore structure, the porous fiber composite material is preferably partially formed. During the annealing of the water infil- trier fiber-polymer resin material with a pore structure, the formation (reaction) of the porous fiber composite material is particularly ended.
"Porös" bedeutet im Sinne der Erfindung, dass das damit charakterisierte Material (nämlich Faser-Polymerharzmaterial mit Porenstruktur und das Faserverbundmaterial) ein Verhältnis von Hohlraumvolumen zu Gesamt volumen von 20% oder mehr, insbesondere 40% oder mehr, aufweist. Das Gesamtvolumen ist dabei vorzugsweise durch die Summe aus Hohlraum volumen und Reinvolumen des Feststoffs angegeben. Die Fasern in dem Faser- Polymerharzmaterial mit Porenstruktur und dem porösen Faserverbund material sind insbesondere nicht porös ausgebildet. "Porous" in the sense of the invention means that the material characterized thereby (namely fiber-polymer resin material with pore structure and the fiber composite material) has a ratio of void volume to total volume of 20% or more, in particular 40% or more. The total volume is preferably indicated by the sum of the void volume and the clean volume of the solid. The fibers in the fiber-polymer resin material with a pore structure and the porous fiber composite material are in particular non-porous.
Eine Porosität ist gemäß einer bevorzugten Charakterisierungsmethode durch Quecksilber-Porosimetrie bestimmbar. Hierbei dringt eine nicht benetzbare Flüssigkeit, beispielsweise Quecksilber, in Poren eines zu charakterisierenden Materials unter hohem Druck ein. Eine Porengröße der Poren des zu A porosity can be determined according to a preferred characterization method by mercury porosimetry. Here, a non-wettable liquid, for example mercury, penetrates into the pores of a material to be characterized under high pressure. A pore size of the pores of the
charakterisierenden Materials wird als Funktion eines äußeren Drucks mittels eines Porosimeters bestimmt. Das Porosimeter ist ein Gerät, welches einer Messung einer Luftdurchlässigkeit des zu charakterisierenden Materials dient. characterizing material is determined as a function of an external pressure by means of a porosimeter. The porosimeter is a device used to measure the air permeability of the material to be characterized.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Porosität des aus dem erfindungsgemäßen Verfahren resultierenden porösen Faserverbundmaterials in einem Bereich von ca. 50% bis ca. 60%, besonders bevorzugt in einem Bereich von ca. 54% bis ca. 57%. According to a preferred embodiment, the porosity of the porous fiber composite material resulting from the process according to the invention is in a range from approx. 50% to approx. 60%, particularly preferably in a range from approx. 54% to approx. 57%.
Vorzugsweise ist das poröse Faserverbundmaterial offenporös ausgebildet, wobei Hohlräume des Materials mit einer Umgebung in Verbindung stehen. The porous fiber composite material is preferably open-pored, with cavities of the material being connected to an environment.
Vorzugsweise ist das poröse Faserverbundmaterial sowohl mesoporös mit Porengrößen von 2 nm bis 50 nm als auch makroporös mit Porengrößen von größer als 50 nm. Die Hohlräume in dem porösen Faserverbundmaterial sind vorzugsweise statistisch verteilt und/oder homogen verteilt angeordnet. The porous fiber composite material is preferably both mesoporous with pore sizes from 2 nm to 50 nm and macroporous with pore sizes greater than 50 nm. The cavities in the porous fiber composite material are preferably randomly distributed and / or homogeneously distributed.
Unter "flüssigem Gemisch" ist ein chemisches Gemisch von zumindest dem Polymerharz, dem organischen Lösungsmittel und dem Formaldehydbildner zu verstehen. Dabei ist zumindest so viel organisches Lösungsmittel enthalten, dass das flüssige Gemisch fließfähig ist. “Liquid mixture” is to be understood as a chemical mixture of at least the polymer resin, the organic solvent and the formaldehyde generator. At least so much organic solvent is contained that the liquid mixture is flowable.
Insbesondere ist das flüssige Gemisch homogen und liegt als Lösung des Polymerharzes und des Formaldehydbildners in dem organischen Lösungs mittel vor. Es kann aber - je nach Polymerharz und Mengenverhältnissen - auch vorgesehen sein, dass das flüssige Gemisch eine Dispersion ist, wobei zumindest ein Teil des Polymerharzes und/oder des Formaldehydbildners fein verteilt in dem organischen Lösungsmittel schweben. In particular, the liquid mixture is homogeneous and is present as a solution of the polymer resin and the formaldehyde former in the organic solvent. However, depending on the polymer resin and quantitative proportions, it can also be provided that the liquid mixture is a dispersion, at least some of the polymer resin and / or the formaldehyde former floating in the organic solvent in finely divided form.
Bei dem Aushärten des flüssigen Gemischs wird das mit dem flüssigen When the liquid mixture hardens, this becomes the same with the liquid
Gemisch infiltrierte Fasergebilde vorzugsweise mit erwärmt. Es findet insbe sondere eine chemische Vernetzungsreaktion, beispielsweise eine Poly merisationsreaktion, statt. Die Fasern des Fasergebildes nehmen vorzugsweise nicht an der Reaktion teil. Insbesondere findet eine Polykondensationsreaktion statt. Mixture of infiltrated fiber structures preferably heated. In particular, there is a chemical crosslinking reaction, for example a polymerization reaction. The fibers of the fiber structure preferably do not take part in the reaction. In particular, a polycondensation reaction takes place.
"Tempern" ist im Sinne der Erfindung eine Wärmebeaufschlagung des zu tempernden Materials, wobei optional extern ein erhöhter Druck an das zu tempernde Material angelegt werden kann oder sich aufgrund einer Durch führung des Temperns in einem druckfest verschlossenen Behälter ein Dampf druck aufbaut. Bei einer Temperaturerhöhung oder Wärmebeaufschlagung wird vorzugsweise von Raumtemperatur (20°C) als Ausgangstemperatur aus gegangen. "Tempering" in the sense of the invention is a heat application of the material to be tempered, wherein optionally an increased pressure can be applied externally to the material to be tempered or a vapor pressure builds up due to an implementation of the tempering in a pressure-tightly closed container. If the temperature rises or heat is applied, room temperature (20 ° C) is the preferred starting temperature.
Ein Verpressen, bei welchem Fasern beschädigt werden können, ist vorzugs weise entbehrlich. Bevorzugt lässt sich das Tempern gemäß einer der folgenden Varianten durchführen : A pressing, in which fibers can be damaged, is preferably unnecessary. The annealing can preferably be carried out according to one of the following variants:
Positionieren des mit Wasser infiltrierten Faser-Polymerharzmaterials mit Porenstruktur in einem Behälter, druckfestes Verschließen des Behälters und anschließendes Erwärmen des Behälters und des darin befindlichen mit Wasser infiltrierten Faser-Polymerharzmaterials, wodurch insbe sondere ein Dampfdruck entsteht, welcher ein Sieden des Wassers im Wesentlichen verhindert; oder Positioning the water-infiltrated fiber-polymer resin material with a pore structure in a container, pressure-tightly closing the container and then heating the container and the water-infiltrated fiber-polymer resin material therein, in particular creating a vapor pressure which essentially prevents boiling of the water; or
Positionieren des mit Wasser infiltrierten Faser-Polymerharzmaterials mit Porenstruktur in einem Behälter, Verschließen des Behälters - insbe sondere mit einer fluiddichten Membran - Positionieren des ver schlossenen Behälters in einem Autoklav und Anlegen eines Drucks, wobei durch Anlegen des Drucks insbesondere ein Sieden des Wassers im Wesentlichen verhindert wird. Positioning the water-infiltrated fiber-polymer resin material with a pore structure in a container, sealing the container - in particular with a fluid-tight membrane - positioning the sealed container in an autoclave and applying a pressure, the application of the pressure in particular essentially boiling the water is prevented.
Es kann zudem vorgesehen sein, dass das mit Wasser infiltrierte Faser-Poly merharzmaterials mit Porenstruktur in dem druckfest verschlossenen Behälter (gemäß der erstgenannten Variante) durch einen Autoklav extern mit Druck beaufschlagt wird. It can also be provided that the water-infiltrated fiber-polymer material with pore structure in the pressure-tightly closed container (according to the first-mentioned variant) is externally pressurized by an autoclave.
Insbesondere unterbindet das Wasser die Vernetzungsreaktion nicht, sondern gewährleistet aufgrund seiner Wärmekapazität einen kontrollierten Ablauf derselben. In particular, the water does not prevent the crosslinking reaction, but rather ensures a controlled course of the process due to its heat capacity.
Die fluiddichte Membran verhindert eine Volumenreduzierung des mit Wasser infiltrierten Faser-Polymerharzmaterials mit Porenstruktur aufgrund von Ver dampfen. The fluid-tight membrane prevents a volume reduction of the water-infiltrated fiber polymer resin material with a pore structure due to vaporization.
Das organische Lösungsmittel nimmt vorzugsweise nicht an chemischen Reaktionen während des Aushärtens teil. Das organische Lösungsmittel beein flusst die chemische Reaktion jedoch dahingehend, dass es eine vollständige Vernetzung des Polymerharzes während des Aushärtens des flüssigen The organic solvent preferably does not participate in chemical reactions during curing. However, the organic solvent influences the chemical reaction in that it completely crosslinks the polymer resin during the curing of the liquid
Gemischs verhindert. Der Formaldehydbildner reagiert unter geeigneten Reaktionsbedingungen, vorzugsweise Erhitzen, zu Formaldehyd. Prevents mixture. The formaldehyde generator reacts to formaldehyde under suitable reaction conditions, preferably heating.
Durch das Verwenden von organischem Lösungsmittel in dem flüssigen By using organic solvent in the liquid
Gemisch wird ein Anteil an reagierenden Substanzen reduziert und während des Aushärtens entsteht ein Material mit verminderter Dichte im Vergleich zu einem Aushärtevorgang ohne oder mit wenig Lösungsmittel. Hierdurch kann bei dem Aushärten ein Faser-Polymerharzmaterial mit Porenstruktur gebildet werden, welches ebenfalls eine im Vergleich zu einem Vollmaterial verringerte Dichte aufweist. Mixture reduces the amount of reacting substances and during curing a material with reduced density is created compared to a curing process with little or no solvent. As a result, a fiber-polymer resin material with a pore structure can be formed during curing, which also has a reduced density compared to a solid material.
Im Sinne der Erfindung ist das poröse Faserverbundmaterial ein Fasermaterial, wobei in den zwischen den Fasern ausgebildeten Zwischenräumen eine netz artige Struktur, umfassend zusammenhängende Partikeln unterschiedlicher Größe aus chemisch vernetztem Polymerharz, vorliegen. Die Partikel weisen vorzugsweise auf Mikrometerebene eine unregelmäßige Form auf. In the sense of the invention, the porous fiber composite material is a fiber material, a mesh-like structure comprising coherent particles of different sizes made of chemically crosslinked polymer resin being present in the spaces formed between the fibers. The particles preferably have an irregular shape at the micrometer level.
Dadurch, dass das Faser-Polymerharzmaterial mit Porenstruktur vor dem Tempern mit Wasser infiltriert wird, wird während des Temperns freigesetzte Energie, insbesondere Vernetzungsenergie, in Form von Wärme von dem Wasser aufgenommen. Hierbei werden insbesondere die hohe Wärmekapazität des Wassers genutzt. Darüber hinaus behindert Wasser im Vergleich zu anderen Lösungsmitteln eine chemische Vernetzungsreaktion des Polymer harzes, welche während des Temperns eintritt, nicht. Vernetzungsenergie kann bei exothermen Vernetzungsreaktionen entstehen. Because the fiber-polymer resin material with a pore structure is infiltrated with water before the tempering, the energy released during the tempering, in particular crosslinking energy, is absorbed by the water in the form of heat. The high thermal capacity of the water is used in particular. In addition, water does not hinder a chemical crosslinking reaction of the polymer resin, which occurs during the annealing, compared to other solvents. Crosslinking energy can arise in exothermic crosslinking reactions.
Das Fasergebilde kann in Form eines Filzes, insbesondere eines Kohlenstoff filzes, in Form von keramischen Filzlagen, oder als Vlies bereitgestellt werden. Insbesondere wird ein textiles Fasergebilde, beispielsweise in Form eines Geflechts, eines Gestrickes oder eines Gewebes, bereitgestellt. Die Fasern des Fasergebildes sind vorzugsweise Kohlenstofffasern. Alternativ können auch eine der folgenden Fasern oder Mischungen daraus oder The fiber structure can be provided in the form of a felt, in particular a carbon felt, in the form of ceramic felt layers, or as a fleece. In particular, a textile fiber structure, for example in the form of a braid, a knitted fabric or a fabric, is provided. The fibers of the fiber structure are preferably carbon fibers. Alternatively, one of the following fibers or mixtures thereof or
Mischungen daraus mit Kohlenstofffasern verwendet werden : Polymerfasern, Glasfasern, keramische Fasern, Naturfasern. Mixtures of these are used with carbon fibers: polymer fibers, glass fibers, ceramic fibers, natural fibers.
Die Fasern können als Langfasern oder Kurzfasern verwendet werden. Bevorzugte Polymerfasern sind Phenolharzfasern. The fibers can be used as long fibers or short fibers. Preferred polymer fibers are phenolic resin fibers.
Beispielsweise wird ein Fasergebilde in Form einer oder mehrerer Schichten, welche beispielsweise durch ein Nassvliesverfahren hergestellt sind, bereit gestellt. For example, a fiber structure is provided in the form of one or more layers, which are produced, for example, by a wet nonwoven process.
Günstig kann es sein, wenn das Fasergebilde eine Mischung aus Kurzfasern und zerkleinerten Fasern, beispielsweise zu einem oder mehreren Nassvliesen verarbeitet, umfasst oder daraus gebildet ist. It may be favorable if the fiber structure comprises, comprises or is formed from a mixture of short fibers and comminuted fibers, for example into one or more wet nonwovens.
Die zerkleinerten Fasern sind vorzugsweise gemahlene Fasern. The comminuted fibers are preferably ground fibers.
Die Kurzfasern weisen vorzugsweise eine durchschnittliche Länge von ca. 6 mm bis ca. 10 mm auf. The short fibers preferably have an average length of approximately 6 mm to approximately 10 mm.
Eine durchschnittliche Länge der zerkleinerten Fasern liegt vorzugsweise in einem Bereich von ca. 0,25 mm bis ca. 0,35 mm, beispielsweise bei ca. 0,3 mm. An average length of the comminuted fibers is preferably in a range from approximately 0.25 mm to approximately 0.35 mm, for example approximately 0.3 mm.
Günstig kann es sein, wenn das Fasergebilde Phenolharzfasern und ein Bindemittel umfassen oder daraus gebildet ist. It can be advantageous if the fiber structure comprises or is formed from phenolic resin fibers and a binder.
Ein bevorzugtes Bindemittel sind Polyvinylalkoholfasern. Die Phenolharzfasern sind vorzugsweise vernetzte Phenol-Aldehydfasern, welche insbesondere durch eine Säure-katalysierte Vernetzung von schmelz gesponnenem Novolak-Harz hergestellt sind. A preferred binder is polyvinyl alcohol fibers. The phenolic resin fibers are preferably cross-linked phenol-aldehyde fibers, which are produced in particular by acid-catalyzed cross-linking of melt-spun novolak resin.
Vorzugsweise weisen die Phenolharzfasern eine vollvernetzte dreidimensionale amorphe Struktur auf. The phenolic resin fibers preferably have a fully cross-linked three-dimensional amorphous structure.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Phenolharzfasern aus ca. 76 Gew.-% It can be advantageous if the phenolic resin fibers consist of approx. 76% by weight
Kohlenstoff, ca. 18 Gew.-% Sauerstoff und ca. 6 Gew.-% Wasserstoff bestehen. Carbon, about 18 wt .-% oxygen and about 6 wt .-% hydrogen.
Als besonderes günstig haben sich Phenolharzfasern erwiesen, welche unter der Produktbezeichnung "Kynol® Novoloid Fasern" von dem Unternehmen Kynol Europa GmbH erhältlich sind. Phenolic resin fibers, which are available under the product name "Kynol® Novoloid fibers" from the company Kynol Europa GmbH, have proven to be particularly favorable.
Ein poröses Faserverbundmaterial, dessen Fasern Kohlenstofffasern sind, ist vorzugsweise temperaturstabil bis zu 300°C. A porous fiber composite material, the fibers of which are carbon fibers, is preferably temperature stable up to 300 ° C.
In Ausführungsformen, in welchen das Fasergebilde Phenolharzfasern umfasst oder daraus gebildet ist, weist das resultierende Faserverbundmaterial vorzugsweise eine um einen Faktor 5 oder mehr, insbesondere eine um einen Faktor 6 oder mehr, verringerte Wärmeleitfähigkeit auf im Vergleich zu einem Faserverbundmaterial, bei welchem anstelle der Phenolharzfasern In embodiments in which the fiber structure comprises or is formed from phenolic resin fibers, the resulting fiber composite material preferably has a thermal conductivity reduced by a factor of 5 or more, in particular by a factor of 6 or more, compared to a fiber composite material in which instead of the phenolic resin fibers
Kohlenstofffasern verwendet wurden. Carbon fibers were used.
Die Dickenrichtung ist vorzugsweise senkrecht zu einer äußeren Oberfläche des Faserverbundmaterials definiert. The direction of thickness is preferably defined perpendicular to an outer surface of the fiber composite material.
Beispielsweise liegt eine Wärmeleitfähigkeit des Faserverbundmaterials mit Phenolharzfasern in Dickenrichtung bei 0,0423 W/(m-K). For example, the thermal conductivity of the fiber composite material with phenolic resin fibers in the thickness direction is 0.0423 W / (m-K).
Eine Wärmeleitfähigkeit des Faserverbundmaterials mit Kohlenstofffasern in Dickenrichtung liegt vorzugsweise bei 0,256 W/(m-K). Bei einer Hitzeeinwirkung, beispielsweise von Temperaturen, wie sie bei einem Widereintritt in die Erdatmosphäre herrschen, pyrolysieren die Phenol harzfasern vorzugsweise zu Kohlenstofffasern und/oder werden zu Kohlen stofffasern umgesetzt. So kann die Thermalschutzwirkung optimiert werden, insbesondere da es bereits bei der Umsetzung der Phenolharzfasern zu Kohlenstofffasern zu einer Energieumsetzung kommt. A thermal conductivity of the fiber composite material with carbon fibers in the thickness direction is preferably 0.256 W / (mK). When exposed to heat, for example from temperatures such as those prevailing when the earth re-enters, the phenolic resin fibers preferably pyrolyze to carbon fibers and / or are converted to carbon fibers. The thermal protection effect can be optimized in this way, in particular since energy is converted as soon as the phenolic resin fibers are converted to carbon fibers.
Die Pyrolyse der Phenolharzfasern läuft vorzugsweise bei Temperaturen von ca. 400°C bis ca. 3000°C statt. The pyrolysis of the phenolic resin fibers preferably takes place at temperatures from approximately 400 ° C. to approximately 3000 ° C.
Die Umsetzung der Phenolharzfasern zu Kohlenstofffasern ist vorzugsweise eine endotherme Zersetzung. The conversion of the phenolic resin fibers to carbon fibers is preferably an endothermic decomposition.
Die aus der Umsetzung der Phenolharzfasern resultierenden Kohlenstofffasern sind beispielsweise poröse Kohlenstofffasern. The carbon fibers resulting from the reaction of the phenolic resin fibers are, for example, porous carbon fibers.
Das resultierende Faserverbundmaterial ist insbesondere vergleichbar mit einem Faserverbundmaterial, welches unter Verwendung eines Fasergebildes aus Kohlenstofffasern hergestellt wurde. The resulting fiber composite material is in particular comparable to a fiber composite material which was produced using a fiber structure made of carbon fibers.
Ein Char-Layer, welcher beispielsweise bei einer Wärmestromdichte von ca.A char layer which, for example, with a heat flow density of approx.
3 MW/m2 in einem Plasmawindkanal auf einer Oberfläche des 3 MW / m 2 in a plasma wind tunnel on a surface of the
Faserverbundmaterials ausgebildet wird, ist vorzugsweise vergleichsweise dünn. Fiber composite material is preferably comparatively thin.
Ein Verhältnis einer Dicke des Faserverbundmaterials insgesamt (virgin Material) und einer Dicke des Char-Layers liegt vorzugsweise bei 4: 1 oder mehr, insbesondere bei 4,5: 1 oder mehr. A ratio of a total thickness of the fiber composite material (virgin material) and a thickness of the char layer is preferably 4: 1 or more, in particular 4.5: 1 or more.
Insbesondere liegt das Verhältnis der Dicke des Faserverbundmaterials insgesamt (virgin Material) und der Dicke des Char-Layers bei 5: 1 oder weniger, insbesondere bei 4,6 : 1 oder weniger. Das poröse Faserverbundmaterial in nicht pyrolysiertem Zustand bis zu 300°C und/oder in pyrolysiertem Zustand ist insbesondere mittels mechanischer Methoden bearbeitbar. Mechanische Methoden sind beispielsweise Sägen, Schneiden, Drehen und/oder Bohren. In particular, the ratio of the thickness of the fiber composite material overall (virgin material) and the thickness of the char layer is 5: 1 or less, in particular 4.6: 1 or less. The porous fiber composite material in the non-pyrolyzed state up to 300 ° C. and / or in the pyrolyzed state can be processed in particular by means of mechanical methods. Mechanical methods include sawing, cutting, turning and / or drilling.
Vorzugsweise wird ein Fasergebilde, wie es herkömmlicherweise zur Her stellung von Faserverbundmaterialien verwendet wird, eingesetzt. A fiber structure, as is conventionally used for the production of fiber composite materials, is preferably used.
Es können insbesondere auch Materialien in Form eines Fasergebildes einge setzt werden, welche herkömmlicherweise als Isolationsmaterial für Hoch temperatur-Öfen eingesetzt werden oder in anderen Hochtemperatur-An wendungen. Auch Kurzfasern-umfassende Fasergebilde können bevorzugt verwendet werden. In particular, materials in the form of a fiber structure can also be used, which are conventionally used as insulation material for high-temperature furnaces or in other high-temperature applications. Fiber structures comprising short fibers can also be used with preference.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird ein Faser gebilde bereitgestellt und dieses wird mit dem flüssigen Gemisch, umfassend ein Polymerharz, ein organisches Lösungsmittel und einen Formaldehyd bildner, infiltriert. According to a preferred embodiment of the method, a fiber structure is provided and this is infiltrated with the liquid mixture comprising a polymer resin, an organic solvent and a formaldehyde former.
Alternativ können auch vorimprägnierte Fasergebilde, sogenannte "Prepregs", verwendet werden. Diese vorimprägnierten Fasergebilde sind bereits mit einem Polymerharz imprägniert. Bei der Verwendung von vorimprägnierten Fasern kann es ausreichend sein, wenn zu diesen vorimprägnierten Fasern ein organisches Lösungsmittel und der Formaldehydbildner hinzugegeben werden. Insbesondere wird dann das Polymerharz zumindest teilweise in dem orga nischen Lösungsmittel, beispielsweise in Isopropanol, gelöst. Alternatively, pre-impregnated fiber structures, so-called "prepregs", can also be used. These pre-impregnated fiber structures are already impregnated with a polymer resin. When using pre-impregnated fibers, it may be sufficient if an organic solvent and the formaldehyde former are added to these pre-impregnated fibers. In particular, the polymer resin is then at least partially dissolved in the organic solvent, for example in isopropanol.
Eine Dichte des porösen Faserverbundmaterials liegt vorzugsweise in einem Bereich von ca. 0,35 g/cm3 bis ca. 0,45 g/cm3, insbesondere bei ca. 0,4 g/cm3. Vorzugsweise weist das poröse Faserverbundmaterial in Faserzwischenräumen eine aerogel-artige Struktur auf. Durch das Infiltrieren des Faser-Polymerharzmaterials mit Porenstruktur mit Wasser vor dem Tempern kann ein wesentlicher Temperaturanstieg innerhalb des entstehenden porösen Faserverbundmaterials, welcher Materialschäden in dem porösen Faserverbundmaterial zur Folge haben könnte, während des Temperns vermieden werden. A density of the porous fiber composite material is preferably in a range from approximately 0.35 g / cm 3 to approximately 0.45 g / cm 3 , in particular approximately 0.4 g / cm 3 . The porous fiber composite material preferably has an airgel-like structure in the intermediate spaces between the fibers. By infiltrating the fiber-polymer resin material with a pore structure with water prior to tempering, a substantial temperature rise within the porous fiber composite material which arises, which could result in material damage in the porous fiber composite material, can be avoided during the tempering.
Das poröse Faserverbundmaterial eignet sich vorzugsweise als flammen hemmende Struktur, beispielsweise als Thermalschutzmaterial für einen Wiedereintritt von Flugkörpern in die Erdatmosphäre. Hierzu können beispielsweise Blöcke aus dem porösen Faserverbundmaterial auf einen zu schützenden Bereich aufgeklebt werden. The porous fiber composite material is preferably suitable as a flame-retardant structure, for example as a thermal protection material for re-entry of missiles into the earth's atmosphere. For this purpose, blocks made of the porous fiber composite material can, for example, be glued to an area to be protected.
Hierbei ist von Bedeutung, dass das Polymerharz und das daraus resultierende chemisch vernetzte Material eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist. It is important here that the polymer resin and the resulting chemically crosslinked material have a low thermal conductivity.
Aufgrund der Porenstruktur, welche insbesondere ab einer Entstehung in dem Faser-Polymerharzmaterial mit Porenstruktur erhalten bleibt, des Faserver bundmaterials mit geringer Dichte, wird auch bei hohen Temperaturen, wie beispielsweise von über 3000°C, beispielsweise von über 10.000°C, bei dem Widereintritt in die Erdatmosphäre, zunächst die Oberfläche eines Bauteils aus dem porösen Faserverbundmaterial erwärmt, bevor weiter innenliegende Bereiche erwärmt werden. Es findet eine Pyrolyse statt. Das poröse Faser verbundmaterial in pyrolysiertem Zustand oder Pyrolyse-Zustand kann dann schmelzen, sublimieren oder oxidieren. Because of the pore structure, which is retained in particular from its formation in the fiber-polymer resin material with a pore structure, of the fiber composite material with a low density, even at high temperatures, such as, for example, from over 3000 ° C., for example from over 10,000 ° C., upon reentry into the earth's atmosphere, first the surface of a component made of the porous fiber composite material is heated, before further areas inside are heated. Pyrolysis takes place. The porous fiber composite material in the pyrolyzed state or pyrolysis state can then melt, sublimate or oxidize.
Kohlenstoffatome des porösen Faserverbundmaterials in pyrolysiertem Carbon atoms of the porous fiber composite material in pyrolyzed
Zustand können in eine Grenzschicht zwischen einer Ablatoroberfläche und einer Stoßfront emittiert werden und an der Grenzfläche einen radiativen Energieeintrag in das Thermalschutzmaterial reduzieren. Conditions can be emitted into an interface between an ablator surface and a shock front and reduce a radiative energy input into the thermal protection material at the interface.
Alternativ kann das poröse Faserverbundmaterial auch als sonstiges Brand schutzmaterial verwendet werden. Aufgrund seiner geringen Wärmeleitfähigkeit, eignet es sich auch ganz allge mein als Isolationsmaterial. Alternatively, the porous fiber composite material can also be used as other fire protection material. Due to its low thermal conductivity, it is also generally suitable as an insulation material.
Bei der Aushärtung des flüssigen Gemischs unter Ausbildung eines Faser- Polymerharzmaterials mit Porenstruktur wird das Polymerharz vorzugsweise zunächst unvollständig vernetzt. Das Faser-Polymerharzmaterial mit Poren struktur weist insbesondere - trotz einer unvollständigen chemischen Ver netzungsreaktion - eine ausreichende mechanische Festigkeit auf, damit es im weiteren Verfahren handhabbar ist. When the liquid mixture cures to form a fiber-polymer resin material with a pore structure, the polymer resin is preferably initially incompletely crosslinked. The fiber-polymer resin material with a pore structure has - in particular - despite an incomplete chemical crosslinking reaction - sufficient mechanical strength so that it can be handled in the further process.
Die chemische Vernetzungsreaktion ist vorzugsweise eine Polymerisations reaktion, insbesondere eine Polykondensation. The chemical crosslinking reaction is preferably a polymerization reaction, in particular a polycondensation.
Das Faserverbundmaterial kann für bestimmte Anwendungen auch als ein Kernmaterial für eine Sandwichstruktur verwendet werden. Die Sandwich struktur umfasst vorzugsweise ein erstes Lagenelement, ein zweites Lagen element und ein dazwischen angeordnetes Kernelement aus dem Kern material. The fiber composite material can also be used as a core material for a sandwich structure for certain applications. The sandwich structure preferably comprises a first layer element, a second layer element and an intermediate core element made of the core material.
Vorzugsweise umfasst der Formaldehydbildner Urotropin oder ist Urotropin. Urotropin - auch als Hexamethylentetramin bezeichnet - als Formaldehyd bildner ist im Vergleich zu den meisten verfügbaren alternativen Formal dehydbildnern und/oder Formaldehyd weniger gefährlich für menschliche und/oder tierische Organismen und lässt sich somit besser handhaben. The formaldehyde generator preferably comprises urotropin or is urotropin. Urotropin - also known as hexamethylenetetramine - as a formaldehyde generator is less dangerous for human and / or animal organisms than most other available alternative formaldehyde generators and / or formaldehyde and is therefore easier to handle.
Das Aushärten wird vorzugsweise durch Erwärmen des flüssigen Gemischs in einem druckfest verschlossenen Gesenk und/oder Erwärmen des flüssigen Gemischs unter externer Beaufschlagung des flüssigen Gemischs mit Druck, insbesondere in einem Autoklav, durchgeführt. The curing is preferably carried out by heating the liquid mixture in a pressure-tightly closed die and / or heating the liquid mixture with external pressure being applied to the liquid mixture, in particular in an autoclave.
In Ausführungsformen, in welchen das Aushärten in einem druckfest ver schlossenen Gesenk durchgeführt wird, wird das flüssige Gemisch in dem druckfest verschlossenen Gesenk vorzugsweise in einem Ofen erwärmt. Während des Aushärtens des flüssigen Gemischs unter Bildung des Faser- Polymerharzmaterials mit Porenstruktur verbleibt entstehender Dampf in dem Gesenk. Hierdurch baut sich ein Dampfdruck auf. Der Dampfdruck verhindert ein Sieden und/oder übermäßiges Verdampfen des Polymerharzes, des orga nischen Lösungsmittels und insbesondere des Formaldehydbildners. In embodiments in which the curing is carried out in a pressure-tight closed die, the liquid mixture in the pressure-tight closed die is preferably heated in an oven. During the hardening of the liquid mixture to form the fiber-polymer resin material with a pore structure, the resulting steam remains in the die. This builds up a vapor pressure. The vapor pressure prevents boiling and / or excessive evaporation of the polymer resin, the organic solvent and in particular the formaldehyde generator.
Zur Vermeidung eines Berstens des druckfest verschlossenen Gesenks auf grund eines entstehenden Innendrucks sind Wandungen des druckfest ver schlossene Gesenk vorzugsweise massiv ausgebildet. To prevent the pressure-tight closed die from bursting due to an internal pressure that arises, walls of the pressure-tight closed die are preferably solid.
Alternativ zum Erwärmen des druckfest verschlossenen Gesenks ohne weitere externe Druckbeaufschlagung kann vorgesehen sein, dass das flüssige As an alternative to heating the pressure-tight closed die without further external pressurization, it can be provided that the liquid
Gemisch in dem druckfest verschlossenen Gesenk in einem Autoklav extern mit Druck beaufschlagt wird. Mixture in the pressure-tight closed die in an autoclave is externally pressurized.
In Ausführungsformen, in welchen das Aushärten in einem Autoklav durchge führt wird, wird ein Behälter, insbesondere mit einer fluiddichten und/oder flexiblen Membran, verschlossen und das flüssige Gemisch in dem Autoklav mit Druck beaufschlagt. Durch die Druckbeaufschlagung wird vorzugsweise ein Sieden des Polymerharzes und des organischen Lösungsmittels - und insbe sondere des Formaldehydbildners - verhindert. Ein Verdampfen des orga nischen Lösungsmittels oder anderer Bestandteile des flüssigen Gemischs wird insbesondere zusätzlich durch die fluiddichte und/oder flexible Membran ver hindert. In embodiments in which curing is carried out in an autoclave, a container is closed, in particular with a fluid-tight and / or flexible membrane, and pressure is applied to the liquid mixture in the autoclave. The pressurization preferably prevents the polymer resin and the organic solvent - and in particular the formaldehyde former - from boiling. Evaporation of the organic solvent or other components of the liquid mixture is in particular additionally prevented by the fluid-tight and / or flexible membrane.
Das Verfahren bietet den Vorteil, dass eine Größe oder Form des porösen Faserverbundmaterials nur durch die Größe des Gesenks oder Autoklav vorge geben ist und Größe und Form ansonsten frei skalierbar bzw. wählbar ist. The method offers the advantage that a size or shape of the porous fiber composite material is only given by the size of the die or autoclave and the size and shape is otherwise freely scalable or selectable.
Das Aushärten wird vorzugsweise bei einer Temperatur von ca. 120°C bis ca. 160°C, insbesondere bei einer Temperatur von ca. 140°C bis ca. 150°C, beispielsweise bei einer Temperatur von ca. 145°C, durchgeführt. Als Reak- tionszeiten haben sich 4 h oder mehr als besonders geeignet für die Aus härtung erwiesen, wobei die Reaktionszeiten - je nach Größe und Form des Fasergebildes - variieren können. Bei den genannten Temperaturen läuft vor zugsweise zumindest teilweise eine chemische Vernetzung kontrolliert ab. The curing is preferably carried out at a temperature of approximately 120 ° C. to approximately 160 ° C., in particular at a temperature of approximately 140 ° C. to approximately 150 ° C., for example at a temperature of approximately 145 ° C. As a reac tion times have proven to be particularly suitable for curing from 4 hours or more, the reaction times - depending on the size and shape of the fiber structure - may vary. At the temperatures mentioned, chemical crosslinking preferably takes place at least partially in a controlled manner.
Hierbei entsteht vorzugsweise ein dreidimensionales Netzwerk, die Vernetzung ist jedoch noch nicht vollständig abgeschlossen. This creates a three-dimensional network, but the networking is not yet complete.
Durch die Verwendung des organischen Lösungsmittels kann das Aushärten jedoch auch bei einer Temperatur von ca. 225°C durchgeführt werden, ohne dass eine vollständige Vernetzung stattfindet. By using the organic solvent, however, curing can also be carried out at a temperature of approximately 225 ° C. without complete crosslinking taking place.
Trotz des organischen Lösungsmittels findet eine Aushärtereaktion des Despite the organic solvent, there is a curing reaction
Polymerharzes statt. Polymer resin instead.
Die erwähnten 4 h haben sich beispielsweise für ein Fasergebilde mit Ab messungen von 170 mm x 170 mm x 50 mm als besonders geeignete Aus härtezeit des flüssigen Gemischs erwiesen. The 4 h mentioned have proven, for example, for a fiber structure with dimensions of 170 mm x 170 mm x 50 mm to be a particularly suitable curing time for the liquid mixture.
Bei einem Aushärten in einem Autoklav wird das Aushärten vorzugsweise unter einem Druck von ca. 10 bar bis ca. 20 bar, vorzugsweise ca. 15 bar, durchgeführt. Durch den erhöhten Druck wird sichergestellt, dass kein orga nisches Lösungsmittel entweichen kann. Der erhöhte Druck bietet darüber hinaus den Vorteil, dass eine Geschwindigkeitskonstante der chemischen Ver netzungsreaktion größer ist als bei Raumdruck. Die Vernetzung läuft daher schneller, insbesondere um einen Faktor von ca. 4 oder mehr schneller, ab als bei einem Aushärten unter Raumdruck. When curing in an autoclave, the curing is preferably carried out under a pressure of approximately 10 bar to approximately 20 bar, preferably approximately 15 bar. The increased pressure ensures that no organic solvent can escape. The increased pressure also has the advantage that a rate constant of the chemical crosslinking reaction is greater than at room pressure. The crosslinking is therefore faster, in particular by a factor of approximately 4 or more, than with curing under room pressure.
Vorzugsweise wird das Aushärten in einem geschlossenen, druckfesten Gesenk durchgeführt. Es findet vorzugsweise eine Beaufschlagung mit mechanischem Druck von außen statt. Insbesondere entsteht durch den Dampfdruck des organischen Lösungsmittels eine schnellere Vernetzung. Es ist vorzugsweise eine Membran ausgebildet, welche ein Entweichen des organischen Lösungsmittels minimiert oder verhindert. The curing is preferably carried out in a closed, pressure-resistant die. External mechanical pressure is preferably applied. In particular, the vapor pressure of the organic solvent results in faster crosslinking. A membrane is preferably formed which minimizes or prevents the organic solvent from escaping.
Ein Druck, beispielsweise in einem Autoklav, verhindert ein Sieden des organischen Lösungsmittels. Pressure, for example in an autoclave, prevents the organic solvent from boiling.
Ein Anteil an Formaldehydbildner liegt vorzugsweise in einem Bereich von ca. 0,4 Gew.-% bis ca. 10,0 Gew.-%, vorzugsweise ca. 0,5 Gew.-% bis ca. 1,5 Gew.-%, insbesondere von ca. 0,8 Gew.-% bis ca. 1,2 Gew.-%, bezogen auf eine Masse des eingesetzten Polymerharzes. A proportion of formaldehyde generator is preferably in a range from approximately 0.4% by weight to approximately 10.0% by weight, preferably approximately 0.5% by weight to approximately 1.5% by weight. , in particular from approximately 0.8% by weight to approximately 1.2% by weight, based on a mass of the polymer resin used.
Vorteilhaft kann es sein, wenn das Polymerharz und das organische Lösungs mittel in dem flüssigen Gemisch, insbesondere vor Zugabe des Formalde hydbildners, in einem Verhältnis von Masse des Polymerharzes zu Masse des organischen Lösungsmittels von ca. 2 zu 3 bis ca. 3 zu 2 vorliegen. It can be advantageous if the polymer resin and the organic solvent are present in the liquid mixture, in particular before the addition of the formaldehyde former, in a ratio of the mass of the polymer resin to the mass of the organic solvent of approximately 2 to 3 to approximately 3 to 2 .
Beispielsweise werden das Polymerharz und das organische Lösungsmittel in einem Massenverhältnis von ca. 1 zu 1 gemischt. For example, the polymer resin and the organic solvent are mixed in a mass ratio of about 1 to 1.
Bei derartigen Verhältnissen von Polymerharz und organischem Lösungsmittel ist ein Anteil des Polymerharzes ausreichend, damit eine chemische Ver netzungsreaktion während des Aushärtens ablaufen kann. Der Anteil des Lösungsmittels ist vorzugsweise hoch genug, damit eine Struktur mit geringerer Dichte im Vergleich zu ausgehärtetem unverdünntem Polymerharz entsteht. Bei einem hohem Verdünnungsgrad kommt es insbesondere auf grund des Formaldehydbildners zu einer Vernetzungsreaktion des Polymer harzes. With such ratios of polymer resin and organic solvent, a proportion of the polymer resin is sufficient for a chemical crosslinking reaction to take place during curing. The proportion of solvent is preferably high enough to produce a structure with a lower density compared to cured, undiluted polymer resin. At a high degree of dilution, a crosslinking reaction of the polymer resin occurs in particular due to the formaldehyde former.
Das Polymerharz ist vorzugsweise ein Phenolharz oder ein Epoxidharz. Ein Phenolharz bietet den Vorteil, dass bei einer Pyrolyse Restkohle entsteht und/oder es sich als Abbrennmaterial besonders eignet. Vorzugsweise wird das organische Lösungsmittel vor dem Infiltrieren des Faser-Polymerharzmaterials mit Porenstruktur mit Wasser entfernt. Insbe sondere wird das organische Lösungsmittel mittels Erwärmens des Faser- Polymerharzmaterials mit Porenstruktur, insbesondere bei einer Temperatur, die in einem Bereich von 95 % bis 105 % des Siedepunkts des organischen Lösungsmittels liegt, entfernt. The polymer resin is preferably a phenolic resin or an epoxy resin. A phenolic resin has the advantage that during pyrolysis residual carbon is formed and / or it is particularly suitable as a burning material. Preferably, the organic solvent is removed with water before infiltrating the pore-structure fiber polymer resin material. In particular, the organic solvent is removed by heating the fiber polymer resin material having a pore structure, particularly at a temperature ranging from 95% to 105% of the boiling point of the organic solvent.
Bei der Verwendung von Isopropanol wird das Isopropanol beispielsweise bei ca. 80°C, entfernt. Hierzu wird vorzugsweise das Faser-Polymerharzmaterial mit Porenstruktur, welches noch Isopropanol enthält, bei ca. 80°C bis zur Ein stellung einer konstanten Masse in einem Temperofen gelagert. When using isopropanol, the isopropanol is removed, for example, at about 80 ° C. For this purpose, the fiber-polymer resin material with pore structure, which still contains isopropanol, is preferably stored at about 80 ° C. until a constant mass is set in a tempering furnace.
Günstig kann es sein, wenn das Infiltrieren des Faser-Polymerharzmaterials mit Porenstruktur mit Wasser unter Vakuumbeaufschlagung, vorzugsweise unter Anlegung eines Unterdrucks von ca. 2 mbar bis ca. 200 mbar, insbe sondere von ca. 2 mbar bis ca. 10 mbar, beispielsweise ca. 5 mbar, an einen den Faser-Polymerharzmaterial mit Porenstruktur enthaltenen Behälter, durchgeführt wird. It can be favorable if the infiltration of the fiber polymer resin material with pore structure with water under vacuum, preferably under the application of a negative pressure of approx. 2 mbar to approx. 200 mbar, in particular in particular from approx. 2 mbar to approx. 10 mbar, for example approx 5 mbar, to a container containing the fiber-polymer resin material with a pore structure.
Vorzugsweise läuft während des Temperns eine Reaktion zur Bildung eines porösen Netzwerks vollständig oder bis zu einem Reaktionsabbruch ab, wobei Strukturen des porösen Netzwerkes einen mittleren Durchmesser von ca. 500 nm oder weniger, vorzugsweise ca. 300 nm oder weniger, insbesondere ca. 150 nm oder weniger, aufweisen. Die Reaktion zur Bildung des porösen Netz werks, insbesondere eine Polymerisationsreaktion, beginnt während des Aus härtens des flüssigen Gemischs. A reaction to form a porous network preferably takes place completely or until the reaction is terminated, wherein structures of the porous network have an average diameter of approximately 500 nm or less, preferably approximately 300 nm or less, in particular approximately 150 nm or less. The reaction to form the porous network, particularly a polymerization reaction, begins during the curing of the liquid mixture.
Strukturen des porösen Netzwerks bilden sich vorzugsweise bei ca. 145°C aus. Structures of the porous network preferably form at approximately 145 ° C.
Der mittlere Durchmesser ist dabei vorzugsweise als arithmetisches Mittel an gegeben. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der mittlere Durchmesser auf den Median der Durchmesserverteilung bezogen ist. Der Durchmesser bezeichnet insbesondere eine kürzeste Verbindung von zwei Oberflächen. Nach dem Tempern wird vorzugsweise das Wasser mittels Erwärmen in einem Bereich von ca. 80°C bis ca. 100°C, vorzugsweise ca. 90°C, abgedampft. Hierzu wird das Material beispielsweise bei ca. 5 mbar in einem Exsikkator oder in einem anderen mit Vakuum beaufschlagten Behälter gelagert. Alterna tiv ist das Wasser beispielsweise auch bei Normaldruck in einem Ofen ab dampfbar. The mean diameter is preferably given as an arithmetic mean. However, it can also be provided that the mean diameter is related to the median of the diameter distribution. The diameter refers in particular to the shortest connection between two surfaces. After the tempering, the water is preferably evaporated by heating in a range from approximately 80 ° C. to approximately 100 ° C., preferably approximately 90 ° C. For this purpose, the material is stored, for example, at approximately 5 mbar in a desiccator or in another container that is subjected to a vacuum. Alternatively, the water can be steamed off in an oven, for example, even at normal pressure.
Die Erfindung betrifft ferner ein Faserverbundmaterial, hergestellt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren. The invention further relates to a fiber composite material produced by a method according to the invention.
Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannten Merkmale und/oder Vorteile gelten für das erfindungsgemäße Faserverbund material gleichermaßen. The features and / or advantages mentioned in connection with the method according to the invention apply equally to the fiber composite material according to the invention.
Vorteilhaft kann es sein, wenn das Faserverbundmaterial Phenolharzfasern umfasst, welche insbesondere bei Hitzeeinwirkung unter Erhalt einer Faser struktur zu Kohlenstofffasern umsetzbar sind und/oder umgesetzt werden. It can be advantageous if the fiber composite material comprises phenolic resin fibers, which can be converted and / or converted into carbon fibers, in particular when exposed to heat while maintaining a fiber structure.
Beispielsweise pyrolysieren die Phenolharzfasern bei Temperaturen in einem Bereich von ca. 400°C bis ca. 3000°C (Hitzeeinwirkung). For example, the phenolic resin fibers pyrolyze at temperatures in a range from about 400 ° C to about 3000 ° C (exposure to heat).
Unter Hitzeeinwirkung ist vorzugsweise zu verstehen, dass das Faserver bundmaterial Temperaturen von 400°C oder mehr, insbesondere von ca. 900°C oder mehr, beispielsweise von ca. 1500°C oder mehr, ausgesetzt ist, beispielsweise unter Inergasatmosphäre. The effect of heat is preferably understood to mean that the fiber composite material is exposed to temperatures of 400 ° C. or more, in particular approximately 900 ° C. or more, for example approximately 1500 ° C. or more, for example under an inert gas atmosphere.
Eine Inertgasatmosphäre dient einer Simulation von Bedingungen, welche bei einem Wiedereintritt in die Erdatmosphäre vorliegen. An inert gas atmosphere is used to simulate conditions that exist when the earth re-enters the atmosphere.
Hohen Temperaturen ist das Faserverbundmaterial insbesondere als Thermal schutzmaterial bei einem Wiedereintritt in die Erdatmosphäre ausgesetzt. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines erfindungsgemäßen Faser verbundmaterials als Thermalschutzmaterial. The fiber composite material is particularly exposed to high temperatures as thermal protection material when it re-enters the earth's atmosphere. The invention further relates to the use of a fiber composite material according to the invention as a thermal protection material.
Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannten Merkmale und/oder Vorteile gelten für die erfindungsgemäße Verwendung gleichermaßen. The features and / or advantages mentioned in connection with the method according to the invention apply equally to the use according to the invention.
Weitere bevorzugte Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegen stand der nachfolgenden Beschreibung der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen. Further preferred features and / or advantages of the invention are against the following description of the drawing of exemplary embodiments.
Es zeigen : Show it :
Fig. 1 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines porösen Fig. 1 is a flowchart of a method for producing a porous
Faserverbundmaterials; Fiber composite material;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Gesenks zum Aushärten eines mit einem flüssigen Gemisch infiltrierten Fasergebildes zur Verwen dung in dem in Fig. 1 beschriebenen Verfahren; Fig. 2 is a schematic illustration of a die for curing a fiber structure infiltrated with a liquid mixture for use in the method described in Fig. 1;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Autoklavs zum Aushärten eines mit einem flüssigen Gemisch infiltrierten Fasergebildes zur Ver wendung in dem in Fig. 1 beschriebenen Verfahren; Figure 3 is a schematic representation of an autoclave for curing a fiber structure infiltrated with a liquid mixture for use in the method described in Figure 1;
Fig. 4 eine Elektronenmikroskopieaufnahme eines porösen Faserverbund materials, hergestellt mit dem Verfahren aus Fig. 1; FIG. 4 shows an electron micrograph of a porous fiber composite material produced using the method from FIG. 1;
Fig. 5 eine weitere Elektronenmikroskopieaufnahme eines porösen Faser verbundmaterials, hergestellt mit dem Verfahren aus Fig. 1; und FIG. 5 shows a further electron micrograph of a porous fiber composite material, produced using the method from FIG. 1; and
Fig. 6 eine weitere Elektronenmikroskopieaufnahme eines porösen Faser verbundmaterials, hergestellt mit dem Verfahren aus Fig. 1. Ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines porösen Faserver bundmaterials 100 ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. 6 shows a further electron micrograph of a porous fiber composite material, produced using the method from FIG. 1. A flow diagram of a method for producing a porous fiber composite material 100 is shown schematically in FIG. 1.
Zunächst wird ein Fasergebilde 102 bereitgestellt. Hierzu wird vorliegend ein Kohlenstofffasergebilde 103, umfassend Kohlenstofffasern, welche ein Filz oder ein Vlies oder ein sonstiges textiles Gewebe bilden, verwendet. Es können alternativ auch andere Formen eines textilen Fasergebildes 102 verwendet werden. Beispielsweise ist das Fasergebilde 102 ein Geflecht, ein Gewebe, ein Gestricke oder ein Gewebe. First, a fiber structure 102 is provided. In the present case, a carbon fiber structure 103 comprising carbon fibers, which form a felt or a nonwoven or some other textile fabric, is used for this purpose. Alternatively, other forms of a textile fiber structure 102 can also be used. For example, the fiber structure 102 is a braid, a woven fabric, a knitted fabric or a woven fabric.
Alternativ kann auch ein Fasergebilde 102 aus Glasfasern, Polymerfasern, keramischen Fasern, Naturfasern oder Mischungen daraus oder Mischungen aus einer oder mehreren der genannten Fasern mit Kohlenstofffasern bereit gestellt werden. Alternatively, a fiber structure 102 made of glass fibers, polymer fibers, ceramic fibers, natural fibers or mixtures thereof or mixtures of one or more of the fibers mentioned with carbon fibers can also be provided.
Bevorzugte Polymerfasern sind Phenolharzfasern. Preferred polymer fibers are phenolic resin fibers.
Vorzugsweise basieren die Phenolharzfasern auf Novolak (Basis Phenolharz), welches schmelzgesponnen und dann durch eine Säure-katalysierte The phenolic resin fibers are preferably based on novolak (based on phenolic resin), which is melt-spun and then catalyzed by an acid
Vernetzung ausgehärtet wird. Crosslinking is cured.
Eine bevorzugte chemische Zusammensetzung der Phenolharzfasern ist: ca.A preferred chemical composition of the phenolic resin fibers is: approx.
76 Gew.-% Kohlenstoff, ca. 18 Gew.-% Sauerstoff und ca. 6 Gew.-% Wasser stoff. 76 wt .-% carbon, about 18 wt .-% oxygen and about 6 wt .-% hydrogen.
Als besonderes geeignet haben sich Phenolharzfasern mit der Produkt bezeichnung "Kynol® Novoloid Fasern" des Unternehmens Kynol Europa GmbH erwiesen. Phenolic resin fibers with the product name "Kynol® Novoloid fibers" from the company Kynol Europa GmbH have proven to be particularly suitable.
Vorzugsweise ist das Fasergebilde 102 mittels eines Nassvliesverfahrens hergestellt. Beispielsweise werden Nassvliese aus einer Mischung aus Phenolharz- Kurzfasern, insbesondere mit einer durchschnittlichen Länge in einem Bereich von ca. 6 mm und ca. 10 mm, und gemahlenen Phenolharzfasern mit einer durchschnittlichen Länge von ca. 0,3 mm sowie Polyvinylalkoholfasern als Bindemittel hergestellt. The fiber structure 102 is preferably produced by means of a wet fleece process. For example, wet nonwovens are produced from a mixture of short phenolic resin fibers, in particular with an average length in a range of about 6 mm and about 10 mm, and ground phenolic resin fibers with an average length of about 0.3 mm and polyvinyl alcohol fibers as binders.
Das Bindemittel schmilzt während eines Trocknungsvorgangs zur Herstellung des Fasergebildes 102. The binder melts during a drying process to produce the fiber structure 102.
Das Fasergebilde 102 wird mit einem flüssigen Gemisch 104 infiltriert (Infilt rieren 106). The fiber structure 102 is infiltrated with a liquid mixture 104 (infiltrating 106).
Das Gemisch 104 umfasst ein Polymerharz 108 in Form eines Phenolharzes 110, ein organisches Lösungsmittel 112 in Form von Isopropanol 114 und einen Formaldehydbildner 116 in Form von Urotropin 118. The mixture 104 comprises a polymer resin 108 in the form of a phenolic resin 110, an organic solvent 112 in the form of isopropanol 114 and a formaldehyde former 116 in the form of urotropin 118.
Das organische Lösungsmittel 112 dient einer Verdünnung des Polymerharzes 108. The organic solvent 112 serves to dilute the polymer resin 108.
Isopropanol 114 bietet den Vorteil, dass das Phenolharz 110 und Urotropin 118 gut darin löslich sind und es aufgrund seines vergleichsweise geringen Siedepunkts von 82,6°C und hohen Dampfdrucks von 42,6 hPa bei 20°C leicht abdampfbar ist. Das Abdampfen wird später noch genauer ausgeführt. Isopropanol 114 has the advantage that the phenolic resin 110 and urotropin 118 are readily soluble in it and, due to its comparatively low boiling point of 82.6 ° C and high vapor pressure of 42.6 hPa, it is easy to evaporate at 20 ° C. Evaporation will be carried out in more detail later.
Das flüssige Gemisch 104 wird vor dem Infiltrieren 106 hergestellt. The liquid mixture 104 is prepared before infiltrating 106.
Hierzu werden Phenolharz 110 und Isopropanol 114 in einem Massenverhältnis von 1 : 1 gemischt. Zu diesem Gemisch werden, bezogen auf eine Masse des eingesetzten Phenolharzes 110, ca. 1 Gew.-% Urotropin 118 zugegeben. Das Urotropin 118 wird vor der Zugabe gemahlen, wodurch eine schnellere Lösung des Urotropins 118 in dem Isopropanol 114 erreicht werden kann. Zum Infiltrieren 106 wird das Fasergebilde 102 in einem Behälter 120 (vgl.For this purpose, phenolic resin 110 and isopropanol 114 are mixed in a mass ratio of 1: 1. About 1% by weight of urotropin 118 are added to this mixture, based on a mass of the phenolic resin 110 used. The urotropin 118 is ground before the addition, whereby a faster dissolution of the urotropin 118 in the isopropanol 114 can be achieved. For infiltration 106, the fiber structure 102 is placed in a container 120 (cf.
Fig. 2 und 3) bei einem reduzierten Druck von ca. 200 mbar mit dem Gemisch 104 infiltriert. Bei einem Fasergebilde 102 von Abmessungen von 300 mm x 300 mm x 50 mm beträgt eine Infiltrationszeit beispielsweise ca. 2 h. Nach dem Infiltrieren 106 wird der Behälter 120 verschlossen. 2 and 3) infiltrated with the mixture 104 at a reduced pressure of approximately 200 mbar. In the case of a fiber structure 102 with dimensions of 300 mm × 300 mm × 50 mm, an infiltration time is, for example, approximately 2 hours. After infiltrating 106, the container 120 is closed.
Im Anschluss an das Infiltrieren 106 wird das flüssige Gemisch 104 unter Aus bildung eines Faser-Polymerharzmaterials mit Porenstruktur 124 ausgehärtet (Aushärten 122). Das Aushärten 122 wird in einem Autoklav 126 (vgl. Fig. 3) oder in einem druckfest verschlossenen Gesenk 128 (Fig. 2) durchgeführt. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass das flüssige Gemisch 102 in dem druckfest verschlossenen Gesenk 128 in einem Autoklav 126 extern mit Druck beaufschlagt wird. Following infiltration 106, the liquid mixture 104 is cured to form a fiber-polymer resin material having a pore structure 124 (curing 122). Hardening 122 is carried out in an autoclave 126 (see FIG. 3) or in a pressure-tightly closed die 128 (FIG. 2). However, it can also be provided that the liquid mixture 102 in the pressure-tightly closed die 128 is externally pressurized in an autoclave 126.
Die im Zusammenhang des Verfahrens angegebenen Zeiten können je nach Größe und Form des Fasergebildes 102 variieren. The times specified in connection with the method can vary depending on the size and shape of the fiber structure 102.
Bei einem Aushärten 122 in dem druckfest verschlossenen Gesenk 128 (vgl. Fig. 2) wird das Gesenk 128 für ca. 16 h oder mehr bei ca. 145°C in einem Temperofen geheizt. Nach einer vollständigen Auskühlung des Gesenks 128 wird das darin entstandene Faser-Polymerharzmaterial 124 entformt. When hardening 122 in the pressure-tightly closed die 128 (cf. FIG. 2), the die 128 is heated in a tempering furnace for approximately 16 hours or more at approximately 145 ° C. After the die 128 has cooled completely, the fiber-polymer resin material 124 formed therein is removed from the mold.
Durch die druckfeste und insbesondere auch fluiddichte Ausbildung des druckfest verschlossenen Gesenks 128 kann entstehender Dampf nicht aus dem druckfest verschlossenen Gesenk 128 entweichen und es baut sich ein Dampfdruck auf. Der Dampfdruck minimiert ein Sieden des Polymerharzes 110 und des organischen Lösungsmittels 112. Ein Volumen des organischen Lösungsmittels 112 wird im Wesentlichen konstant gehalten. Due to the pressure-resistant and, in particular, also fluid-tight design of the pressure-tight closed die 128, the resulting steam cannot escape from the pressure-tight closed die 128 and a vapor pressure builds up. The vapor pressure minimizes boiling of the polymer resin 110 and the organic solvent 112. A volume of the organic solvent 112 is kept substantially constant.
Das druckfest verschlossene Gesenk 128 ist vorliegend massiv ausgebildet, um einem während des Aushärtens 122 des flüssigen Gemischs 104 ent stehenden Innendruck in dem druckfest verschlossenen Gesenk 128 stand halten zu können ohne zu bersten. Bei einem Aushärten 122 in einem Autoklav 126 (vgl. Fig. 3) wird ein abge dichteter Behälter 120 in einen Autoklav 126 eingebracht, wobei vorliegend eine Membran 130 zur fluiddichten Abdichtung des mit dem flüssigen Gemisch 104 infiltrierten Fasergebildes 102 verwendet wird. Dies verhindert ein Ver dampfen des organischen Lösungsmittels 112 während des Aushärtens 122 des flüssigen Gemischs 104. In the present case, the pressure-tightly closed die 128 is of solid design in order to be able to withstand an internal pressure arising during the hardening 122 of the liquid mixture 104 in the pressure-tightly closed die 128 without bursting. When hardening 122 in an autoclave 126 (cf. FIG. 3), a sealed container 120 is introduced into an autoclave 126, a membrane 130 being used here in the present case for the fluid-tight sealing of the fiber structure 102 infiltrated with the liquid mixture 104. This prevents the organic solvent 112 from evaporating during the curing 122 of the liquid mixture 104.
In einem Autoklav-Verfahren wird in dem Autoklav 126 ein Druck von ca. 15 bar aufgebaut und anschließend, insbesondere bei maximaler Heizrate (inner halb von ca. 30 min), auf eine Temperatur von ca. 145°C aufgeheizt. Die ein gestellte Temperatur und der eingestellte Druck werden für eine Aushärtezeit, beispielsweise für ca. 4 h oder mehr, konstant gehalten. In an autoclave process, a pressure of approx. 15 bar is built up in the autoclave 126 and then, in particular at a maximum heating rate (within approx. 30 min), heated to a temperature of approx. 145 ° C. The set temperature and the set pressure are kept constant for a curing time, for example for about 4 hours or more.
Anschließend wird der Autoklav 126 auf ca. 25°C abgekühlt. Bis zur vollstän digen Auskühlung auf Raumtemperatur (ca. 20°C) wird der Druck im Autoklav 126 bei ca. 15 bar gehalten. Nach Abkühlen auf Raumtemperatur wird der Druck von ca. 15 bar aufgehoben und das entstandene Faser-Polymerharz- material mit Porenstruktur 124 entformt. The autoclave 126 is then cooled to approx. 25 ° C. The pressure in the autoclave 126 is kept at approx. 15 bar until it is completely cooled to room temperature (approx. 20 ° C). After cooling to room temperature, the pressure of approx. 15 bar is released and the resulting fiber-polymer resin material with pore structure 124 is removed from the mold.
Nach Entstehung des Faser-Polymerharzmaterials mit Porenstruktur 124 während des Aushärtens 122 wird das Isopropanol 114 entfernt (Entfernen 132). After the formation of the fiber polymer resin material with pore structure 124 during curing 122, the isopropanol 114 is removed (removal 132).
Hierzu wird das enthaltende Faser-Polymerharzmaterial mit Porenstruktur 124, welches nach dem Aushärten 122 immer noch Isopropanol 114 enthält, in einem Temperofen bei ca. 80°C gelagert, bis sich eine konstante Masse einge stellt hat und/oder das Isopropanol 114 vollständig abgedampft wurde. For this purpose, the fiber polymer resin material containing pore structure 124, which after curing 122 still contains isopropanol 114, is stored in an annealing oven at approx. 80 ° C. until a constant mass has been established and / or the isopropanol 114 has been completely evaporated .
Anschließend wird das Faser-Polymerharzmaterial mit Porenstruktur 124 mit Wasser 134 infiltriert (Infiltrieren 136). Hierzu wird das Faser-Polymerharz- material mit Porenstruktur 124 für beispielsweise ca. 60 min oder mehr bei ca. 5 mbar in einem Behälter, vorliegend einem Exsikkator 135, gelagert. Der Exsikkator 135 wird zum Infiltrieren (136) mit Wasser geflutet. Das Faser- Polymerharzmaterial mit Porenstruktur 124 wird für ca. 100 min oder mehr unter Wasser 134 bei einem Druck von ca. 5 mbar in dem Exsikkator 135 ge lagert. Nach Aufhebung des Vakuums wird das Faser-Polymerharzmaterial mit Porenstruktur 124 beispielsweise für weitere 150 min oder mehr unter Wasser 134 gelagert, bevor der Faser-Polymerharzmaterial mit Porenstruktur 124 dem Exsikkator 135 entnommen wird und in einen wassergefüllten Behälter gelegt wird. The fiber polymer resin material with pore structure 124 is then infiltrated with water 134 (infiltrate 136). For this purpose, the fiber polymer resin material with pore structure 124 is stored in a container, in the present case a desiccator 135, for, for example, approximately 60 minutes or more at approximately 5 mbar. The desiccator 135 is flooded with water to infiltrate (136). The fiber-polymer resin material with pore structure 124 is stored for approx. 100 min or more under water 134 at a pressure of approx. 5 mbar in the desiccator 135. After the vacuum has been released, the fiber polymer resin material with pore structure 124 is stored, for example, for a further 150 minutes or more under water 134 before the fiber polymer resin material with pore structure 124 is removed from the desiccator 135 and placed in a water-filled container.
Der wassergefüllte Behälter wird für einen Temperschritt (Tempern 138) ver schlossen und in einem Autoklav 126 positioniert. The water-filled container is closed for a tempering step (tempering 138) and positioned in an autoclave 126.
In einem weiteren Autoklav-Verfahren wird ein Druck von ca. 15 bar aufge baut und der Autoklav 126 nach Erreichen des Drucks, insbesondere bei maximaler Heizrate, auf ca. 160°C aufgeheizt. Die eingestellte Temperatur und der eingestellte Druck werden beispielsweise für ca. 6 h oder mehr beibe halten. Anschließend wird der Autoklav 126 (beispielsweise in ca. 20 min) auf ca. 25°C abgekühlt. Bis zur vollständigen Abkühlung auf Raumtemperatur wird der Druck bei ca. 15 bar gehalten. In a further autoclave process, a pressure of approx. 15 bar is built up and the autoclave 126 is heated to approx. 160 ° C. after the pressure has been reached, in particular at the maximum heating rate. The set temperature and the set pressure will, for example, last for about 6 hours or more. The autoclave 126 is then cooled to about 25 ° C. (for example in about 20 minutes). The pressure is kept at about 15 bar until it has completely cooled to room temperature.
Das Tempern 138 kann alternativ auch in einem druckfesten Gesenk 128, welches mit Wasser gefüllt ist, in einem Ofen ohne Außendruck erfolgen. The tempering 138 can alternatively also be carried out in a pressure-resistant die 128 which is filled with water in an oven without external pressure.
Nach dem Tempern 138 wird das Wasser 134 entfernt (Abdampfen 140). After tempering 138, water 134 is removed (evaporation 140).
Hierzu wird das Faserverbundmaterial 100 bei ca. 90°C in einem Temperofen getrocknet. Das Abdampfen 140 wird so lange durchgeführt bis das poröse Faserverbundmaterial 100 eine konstante Masse aufweist. For this purpose, the fiber composite material 100 is dried at about 90 ° C. in an annealing oven. The evaporation 140 is carried out until the porous fiber composite material 100 has a constant mass.
Das Faserverbundmaterial eignet sich zur Verwendung als Thermalschutz material. Nachfolgend sind beispielhaft Verhältnisse von Phenolharz 110, Isopropanol 114 und Urotropin 118 angegeben. Die zuvor angeführten Anteile sind in der Tabelle als Beispiel 1 angeben. Die Anteile der Beispiele 1 bis 5 eignen sich im Zusammenhang mit dem zuvor beschriebenen Verfahren. The fiber composite material is suitable for use as a thermal protection material. Ratios of phenolic resin 110, isopropanol 114 and urotropin 118 are given below by way of example. The proportions listed above are given in the table as example 1. The proportions of Examples 1 to 5 are suitable in connection with the process described above.
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Die verschiedenen Anteile in der vorstehenden Tabelle sind jeweils in Gew.-%. Der Anteil an Phenolharz 110 und der Anteil an Isopropanol 114 beziehen sich jeweils auf eine Gesamtmasse aus Phenolharz 110 und Isopropanol 114. Der Anteil an Urotropin 118 bezieht sich auf die Masse des eingesetzten Phenol harzes 110. The various proportions in the table above are each in% by weight. The proportion of phenolic resin 110 and the proportion of isopropanol 114 each relate to a total mass of phenolic resin 110 and isopropanol 114. The proportion of urotropin 118 relates to the mass of the phenolic resin 110 used.
Ein nach dem im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Verfahren herge stelltes poröses Faserverbundmaterial 100 ist insbesondere in den in Fig. 4 bis 6 dargestellten Elektronenmikroskopieaufnahmen zu sehen. Die Aufnahmen sind mit einem Rasterelektronenmikroskop gemacht, wobei ein Sekundär elektronendetektor benutzt wurde. A porous fiber composite material 100 produced by the method described in connection with FIG. 1 can be seen in particular in the electron micrographs shown in FIGS. 4 to 6. The recordings were made with a scanning electron microscope using a secondary electron detector.
Bei der Elektronenmikroskopieaufnahme in Fig. 4 wurde eine Vergrößerung von 5.000 gewählt. In der Elektronenmikroskopieaufnahme in Fig. 5 ist die Vergrößerung 10.000 und in der Elektronenmikroskopieaufnahme in Fig. 6 ist die Vergrößerung 50.000. A magnification of 5,000 was chosen for the electron micrograph in FIG. 4. In the electron micrograph in Fig. 5, the magnification is 10,000 and in the electron microscope in Fig. 6, the magnification is 50,000.
In Ausführungsformen, in welchen das Fasergebilde 102 Phenolharzfasern umfasst oder daraus gebildet ist, werden die Phenolharzfasern unter Hitzeeinwirkung, insbesondere in einem Bereich von ca. 400°C bis ca. 3000°C, zu Kohlenstofffasern umgewandelt. Es entsteht insbesondere ein poröses Faserverbundmaterial 100, welches Kohlenstofffasern umfasst. In embodiments in which the fibrous structure 102 comprises or is formed from phenolic resin fibers, the phenolic resin fibers are under Exposure to heat, especially in a range from about 400 ° C to about 3000 ° C, converted to carbon fibers. In particular, a porous fiber composite material 100 is formed, which comprises carbon fibers.
Insbesondere werden die Phenolharzfasern zu porösen Kohlenstofffasern umgesetzt. In particular, the phenolic resin fibers are converted into porous carbon fibers.
Eine Faserstruktur und/oder Gesamtstruktur des Faserverbundmaterials bleibt dabei erhalten. A fiber structure and / or overall structure of the fiber composite material is retained.
Beispielsweise findet eine Hitzeeinwirkung bei einem Wiedereintritt in die Erdatmosphäre statt. For example, heat occurs when it re-enters the earth's atmosphere.
Vorzugsweise wird bei der Hitzeeinwirkung auf ein poröses Faserver When heat is applied to a porous fiber ver
bundmaterial 100, welches Phenolharzfasern umfasst, ein vergleichsweise dünner Char-Layer an der Oberfläche gebildet. bundle material 100, which comprises phenolic resin fibers, formed a comparatively thin char layer on the surface.
Beispielsweise liegt ein Verhältnis einer Dicke des Faserverbundmaterials 100 insgesamt (virgin Material) und einer Dicke des Char-Layers bei 4: 1 oder mehr, insbesondere bei 4,5: 1 oder mehr. For example, a ratio of a total thickness of the fiber composite material 100 (virgin material) and a thickness of the char layer is 4: 1 or more, in particular 4.5: 1 or more.
Insbesondere liegt das Verhältnis der Dicke des Faserverbundmaterials 100 insgesamt (virgin Material) und der Dicke des Char-Layers bei 5: 1 oder weniger, insbesondere bei 4,6: 1 oder weniger. In particular, the ratio of the thickness of the fiber composite material 100 as a whole (virgin material) and the thickness of the char layer is 5: 1 or less, in particular 4.6: 1 or less.
Das poröse Faserverbundmaterial 100 mit Phenolharzfasern weist in einer Dickenrichtung vorzugsweise eine um einen Faktor 5 oder mehr, insbesondere eine um einen Faktor 6 oder mehr, verringerte Wärmeleitfähigkeit auf, verglichen mit einem Faserverbundmaterial 100 mit Kohlenstofffasern anstelle der Phenolharzfasern. Hierdurch ist insbesondere eine optimierte The porous fiber composite material 100 with phenolic resin fibers preferably has a reduced thermal conductivity in a thickness direction by a factor of 5 or more, in particular by a factor of 6 or more, compared to a fiber composite material 100 with carbon fibers instead of the phenolic resin fibers. This is an optimized one
Thermalschutzwirkung ausgebildet. Die Dickenrichtung ist vorzugsweise senkrecht zu einer äußeren Oberfläche des Faserverbundmaterials 100 definiert. Thermal protection effect trained. The thickness direction is preferably defined perpendicular to an outer surface of the fiber composite material 100.
Beispielsweise liegt eine Wärmeleitfähigkeit des Faserverbundmaterials 100 mit Phenolharzfasern in Dickenrichtung bei 0,0423 W/(m-K). For example, a thermal conductivity of the fiber composite material 100 with phenolic resin fibers in the thickness direction is 0.0423 W / (m-K).
Eine Wärmeleitfähigkeit des Faserverbundmaterials 100 mit Kohlenstofffasern in Dickenrichtung liegt vorzugsweise bei 0,256 W/(m-K). A thermal conductivity of the fiber composite material 100 with carbon fibers in the thickness direction is preferably 0.256 W / (m-K).
Durch die Umsetzung der Phenolharzfasern zu Kohlenstofffasern bei Hitze einwirkung kommt es vorzugsweise zu einer Energieumsetzung, welche eine Hitzeschutzwirkung des Faserverbundmaterials 100 insgesamt insbesondere verstärken kann. The conversion of the phenolic resin fibers to carbon fibers when exposed to heat preferably results in an energy conversion which, in particular, can intensify a heat protection effect of the fiber composite material 100 as a whole.
Wie insbesondere in Fig. 4 zu sehen ist, sind Strukturen 150 aus dem ausge härteten Phenolharz 110 netzartig mit Zwischenräumen dazwischen. Kohlen stofffasern 152 sind darin eingebettet. Das ausgehärtete Phenolharz 110 weist vorzugsweise eine vernetzte schwammartige Struktur auf. As can be seen in particular in FIG. 4, structures 150 made of the hardened phenolic resin 110 are network-like with gaps between them. Carbon fibers 152 are embedded therein. The cured phenolic resin 110 preferably has a cross-linked sponge-like structure.
Wie insbesondere in Fig.5 zu sehen ist, weisen die Strukturen 150 des porösen Faserverbundmaterials 100 einen Durchmesser von 0,1 pm oder weniger auf. As can be seen in particular in FIG. 5, the structures 150 of the porous fiber composite material 100 have a diameter of 0.1 μm or less.
In Fig. 6 ist insbesondere zu sehen, dass die Strukturen 150 ungeordnet sind und Zwischenräume dazwischen höhlenartige Strukturen sind. Es sind keine geordneten Kanäle ausgebildet. 6 shows in particular that the structures 150 are disordered and spaces between them are cave-like structures. There are no ordered channels.
Bezugszeichenliste Faserverbundmaterial Reference list of fiber composite material
Fasergebilde Fiber structures
Kohlenstofffasergebilde Carbon fiber structures
Gemisch mixture
Infiltrieren Infiltrate
Polymerharz Polymer resin
Phenolharz Phenolic resin
organisches Lösungsmittel organic solvent
Isopropanol Isopropanol
Formaldehydbildner Formaldehyde generator
Urotropin Urotropin
Behälter container
Aushärten Harden
Faser-Polymerharzmaterial mit Porenstruktur Autoklav Fiber polymer resin material with pore structure autoclave
Gesenk Die
Membran membrane
Entfernen Remove
Wasser water
Exsikkator Desiccator
Infiltrieren Infiltrate
Tempern Annealing
Abdampfen Evaporate
Thermalschutzmaterial Thermal protection material
Strukturen Structures
Kohlenstofffasern Carbon fibers

Claims

Patentansprüche Claims
1. Verfahren zur Herstellung eines porösen Faserverbundmaterials (100), wobei das Verfahren umfasst: 1. A method for producing a porous fiber composite material (100), the method comprising:
Bereitstellen eines Fasergebildes (102), welches mit einem flüssigen Gemisch, umfassend ein Polymerharz (108), ein orga nisches Lösungsmittel (112), insbesondere Isopropanol (114), und einen Formaldehydbildner (116), infiltriert ist oder wird; Aushärten (122) des flüssigen Gemischs (104) unter Ausbildung eines Faser-Polymerharzmaterials mit Porenstruktur (124); Providing a fiber structure (102) which is or will be infiltrated with a liquid mixture comprising a polymer resin (108), an organic solvent (112), in particular isopropanol (114), and a formaldehyde former (116); Curing (122) the liquid mixture (104) to form a fiber polymer resin material with a pore structure (124);
Infiltrieren (106) des Faser-Polymerharzmaterials mit Poren struktur (124) mit Wasser (134); und Infiltrating (106) the fiber polymer resin material with pore structure (124) with water (134); and
Tempern (138) des mit Wasser (134) infiltrierten Faser-Polymer- harzmaterials mit Porenstruktur (124). Annealing (138) the water-infiltrated fiber polymer resin material with pore structure (124).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der 2. The method according to claim 1, characterized in that the
Formaldehydbildner (116) Urotropin (118) umfasst oder Urotropin ist. Formaldehyde generator (116) comprises urotropin (118) or is urotropin.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass das Aushärten (122) durch Erwärmen des flüssigen Gemischs (104) in einem druckfest verschlossenen Gesenk (128) und/oder Erwärmen des flüssigen Gemischs (104) unter externer Beauf schlagung des flüssigen Gemischs (104) mit Druck, insbesondere in einem Autoklav (126), durchgeführt wird. 3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the curing (122) by heating the liquid mixture (104) in a pressure-tight closed die (128) and / or heating the liquid mixture (104) with external exposure to the liquid mixture (104) with pressure, in particular in an autoclave (126).
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass das Aushärten (122) bei einer Temperatur von ca. 120°C bis ca. 160°C, vorzugsweise ca. 140°C bis ca. 150°C, insbesondere ca. 145°C, durchgeführt wird. 5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass ein Anteil an Formaldehydbildner (116) in einem Bereich von ca. 0,4 Gew.-% bis ca. 10,0 Gew.-%, vorzugsweise in einem 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the curing (122) at a temperature of approximately 120 ° C to approximately 160 ° C, preferably approximately 140 ° C to approximately 150 ° C, in particular approximately 145 ° C is carried out. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a proportion of formaldehyde generator (116) in a range from about 0.4 wt .-% to about 10.0 wt .-%, preferably in one
Bereich von ca. 0,5 Gew.-% bis ca. 1, Range from approx. 0.5% by weight to approx. 1,
5 Gew.-%, insbesondere in einem Bereich von ca. 0,8 Gew.-% bis ca. 1,2 Gew.-%, bezogen auf eine Masse des eingesetzten Polymerharzes (108) liegt. 5% by weight, in particular in a range from approximately 0.8% by weight to approximately 1.2% by weight, based on a mass of the polymer resin (108) used.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass das Polymerharz (108) und das organische Lösungsmittel (112) in dem flüssigen Gemisch (104), insbesondere vor Zugabe des Formaldehydbildners (116), in einem Verhältnis von Masse des Poly merharzes (108) zu Masse des organischen Lösungsmittels (112) von ca. 2 zu 3 bis ca. 3 zu 2, insbesondere von ca. 1 zu 1, vorliegen. 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the polymer resin (108) and the organic solvent (112) in the liquid mixture (104), in particular before adding the formaldehyde former (116), in a ratio of the mass of the poly Mer resin (108) to mass of the organic solvent (112) from about 2 to 3 to about 3 to 2, in particular from about 1 to 1, are present.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass das Polymerharz (108) ein Phenolharz (110) oder ein Epoxidharz ist. 7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the polymer resin (108) is a phenolic resin (110) or an epoxy resin.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch 8. The method according to any one of the preceding claims, characterized
gekennzeichnet, dass das Fasergebilde (102) Phenolharzfasern umfasst oder daraus gebildet ist. characterized in that the fiber structure (102) comprises or is formed from phenolic resin fibers.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass das organische Lösungsmittel (112) vor dem Infiltrieren (106) des Faser-Polymerharzmaterials mit Porenstruktur (124) mit Wasser (134) entfernt wird, vorzugsweise mittels Erwärmen des Faser- Polymerharzmaterials mit Porenstruktur (124), insbesondere bei ca. 80°C bis ca. 100°C, beispielsweise bei ca. 80°C. 9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the organic solvent (112) is removed before infiltrating (106) of the fiber polymer resin material with pore structure (124) with water (134), preferably by heating the fiber polymer resin material with a pore structure (124), in particular at approximately 80 ° C. to approximately 100 ° C., for example at approximately 80 ° C.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass während des Temperns (138) eine Reaktion zur Bildung eines porösen Netzwerks vollständig oder bis zu einem Reaktions abbruch abläuft, wobei Strukturen (150) des porösen Netzwerks einen mittleren Durchmesser von ca. 500 nm oder weniger, vorzugsweise ca. 300 nm oder weniger, insbesondere ca. 150 nm oder weniger, auf weisen. 10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that during the annealing (138) a reaction to form a porous network takes place completely or until a reaction is terminated, structures (150) of the porous network having an average diameter of approx. 500 nm or less, preferably about 300 nm or less, in particular about 150 nm or less.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass nach dem Tempern (138) das Wasser (134) mittels Er wärmen in einem Bereich von ca. 80°C bis ca. 100°C, vorzugsweise ca. 90°C, abgedampft wird. 11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that after annealing (138) the water (134) by means of He heat in a range from about 80 ° C to about 100 ° C, preferably about 90 ° C. is evaporated.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass das Aushärten (122) unter einem Druck von ca. 10 bar bis ca. 20 bar, vorzugsweise ca. 15 bar, durchgeführt wird. 12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the curing (122) is carried out under a pressure of about 10 bar to about 20 bar, preferably about 15 bar.
13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass das Infiltrieren (106) des Fasergebildes (102) unter Vakuumbeaufschlagung, vorzugsweise unter Anlegung eines Unter drucks von ca. 180 mbar bis ca. 220 mbar, insbesondere ca. 200 mbar, an einen das Fasergebilde (102) enthaltenden Behälter (120), durchge führt wird. 13. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the infiltration (106) of the fiber structure (102) under vacuum, preferably under the application of a negative pressure of approximately 180 mbar to approximately 220 mbar, in particular approximately 200 mbar, to a container (120) containing the fiber structure (102).
14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass das Infiltrieren (106) des Faser-Polymerharzmaterials mit Porenstruktur (124) mit Wasser (134) unter Vakuumbeaufschlagung, vorzugsweise unter Anlegung eines Unterdrucks von ca. 2 mbar bis ca. 200 mbar, insbesondere von ca. 2 mbar bis ca. 10 mbar, beispielsweise ca. 5 mbar, an einen das Faser-Polymerharzmaterial mit Porenstruktur (124) enthaltenden Behälter (120), durchgeführt wird. 14. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the infiltration (106) of the fiber-polymer resin material with pore structure (124) with water (134) under vacuum, preferably under the application of a negative pressure of about 2 mbar to about 200 mbar, in particular from approximately 2 mbar to approximately 10 mbar, for example approximately 5 mbar, is carried out on a container (120) containing the fiber-polymer resin material with a pore structure (124).
15. Faserverbundmaterial (100), hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14. 15. Fiber composite material (100), produced by a method according to one of claims 1 to 14.
16. Faserverbundmaterial (100) nach Anspruch 15, dadurch 16. Fiber composite material (100) according to claim 15, characterized
gekennzeichnet, dass das Fasermaterial (100) Phenolharzfasern umfasst, welche insbesondere bei Hitzeeinwirkung unter Erhalt einer Faserstruktur zu Kohlenstofffasern (152) umsetzbar sind und/oder umgesetzt werden. characterized in that the fiber material (100) comprises phenolic resin fibers which can be converted and / or converted into carbon fibers (152), in particular when exposed to heat while maintaining a fiber structure.
17. Verwendung eines Faserverbundmaterials (100) nach Anspruch 15 oder 16 als Thermalschutzmaterial (144).
Figure imgf000033_0001
17. Use of a fiber composite material (100) according to claim 15 or 16 as thermal protection material (144).
Figure imgf000033_0001
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